一. 相机成像原理

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。工业相机的成像原理可以分为‌CCD和‌CMOS两种类型，每种类型都有其独特的工作方式和优势

二、工业相机参数

1、工业相机参数定义

1.1快门-shutter

快门是控制曝光时间方式，常见的电子快门的方式为全局曝光和卷帘快门。

全局快门：曝光时，传感器上所有像素在同一时刻开启曝光并在同一时刻曝光结束，将物体某时刻状态成像，适合拍摄运动物体。

卷帘快门：曝光是按照逐行开启曝光，不同行间的曝光的开启有延迟，所以不适合拍摄运动物体拍摄。

注意：曝光时间不能过长，容易产生模糊。对于运动物体，曝光时间越短，物体的图像越清晰，但是容易图像偏暗，因为曝光时间短，进光量少，感光芯片的增益小。

1.2曝光-exposure

曝光是指工业相机工作过程中，图像传感器进行感光的过程，CCD/CMOS收集光子转换成电荷，并且电荷量不断累加的过程。

曝光时间是指相机从快门打开到关闭的时间间隔，曝光时间短，电荷积累的就少;曝光结束后,CCD/CMOS通过一定的方式将电荷移出，从光曝光对照片质量的影响很大，如果曝光过度，则照片过亮，失去图像细节；如果曝光不足，则照片过暗，同样会失去图像细节。所以，要在不过曝的前提下，增加曝光时间，提高图像的信噪比，让图像变得更清晰。

影响曝光的因素：

光圈：光圈控制光进入的通路大小。光圈越大，进入的光通量越大；反之。光圈大小如下图。

曝光时间：感光元件在光线进入时用来曝光的时间，即快门。

增益：一般在信号弱的时候，在不想改变光圈和曝光时间的前提下使用。一般相机增益都会产生很大的噪声，尽量少用。

所以，一般将曝光时间和光圈配合使用从而达到需要的曝光。比如，对于高速运动物体，减小曝光时间，增大光圈，让物体细节更多的同时不至于过暗。

1.3增益-gain

***增益一般只是在信号弱，但不想增加曝光时间的情况下使用，一般相机增益都产生很大噪音。***曝光时间短，CCD/CMOS上电荷的积累就少，这时候就需要增益加强；反之，增益要减弱。

1.4 感光芯片类型（CCD/CMOS）

CCD（电荷耦合器件）芯片和CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片都将光信号（光子）转换成电子信号（电子）。

图片来源：CCD/CMOS图片来源 侵权删

CCD相机比较适合高质量或者运动物体图像的采集，CCD成像质量相对于CMOS来说高；如上述的的一款CCD相机。

CMOS相机比较适合静态或者采集速度要求很高的图像采集，CMOS成本相对于CCD来说较低和采集速度优势。

两图外观上没区别，主要是内部感光芯片的不同，此处只作示意用。

1.5 感光芯片（靶面）尺寸

感光芯片（靶面）尺寸就是字面意思，指的是相机感光芯片的长宽，通常相机厂商使用的都是英寸如单位（如2/3’’）,实际需要转换成mm为单位，我们通常采用下列公式：

1.6 分辨率

相机的传感器是有许多像素点按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像素来表示的。比如分辨率为1920*1080，那宽度方向的物理像元个数就是1920个，高度方向的像元个数就是1080个。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。相机的分辨率不一定越大越好，要从成本和项目需要进行选择。

常见的面阵相机分辨率有：

640 *480 —— 30万像素；1280 *960 —— 130万像素；1440 *1080 —— 160万像素；

1600 *1200 —— 200万像素；1920 *1080 —— 300万像素；2590 *1940 —— 500万像素等。

常见的线阵相机(一般指水平方向上的像素数，因为竖直方向上线阵相机像素数一般为1)分辨率有：

1024-1K      2048-2K 6144-6K

1.7 像元尺寸

像元尺寸指像素的长宽。在感光芯片尺寸一定的情况下，像元尺寸越小，分辨率越大，更有利于对图像的特征表达和缺陷检测。1.8 帧率

帧率是指每秒采集的图像帧数，单位为FPS或者Hz。帧率决定单位时间内采图的数量，即采图速度。

面阵Sensor：fps 帧率，每秒采集的更大图片数量；

线阵Sensor：例16kHz 行频，每秒采集的更大行数，更大图像分辨率为分辨率（宽）*行频（例2048x16k）。

1.9 像元深度

像元(像素)的深度是指存储每个像素灰阶值所占用的存储空间位数，最常见的像元位深有8bit、16bit、24bit、32bit。像元/像素的深度决定着彩色图像每个像元能够表现的颜色数，或者确定灰度图像每个像元/像素可能得灰阶级数。

分辨率和像元深度决定着图像的内存大小。

1.10 常用的相机接口

GIGE千兆网接口：

千兆网协议稳定，使用方便，连接到千兆网卡上即可工作

传输距离远，可传输100米。

可多台同时使用，CPU占用率小。

USB接口：

早期的USB2.0接口连接方便，几乎所有电脑都配置USB接口，无需采集卡。

USB2.0接口传输速率慢，传输过程需要CPU参与管理，占用及消耗资源大。

USB2.0接口一般没有固定螺丝，接口不稳定，在运动设备上有松动的风险。

USB3.0在2.0基础上新增了两组数据线，向下兼容，解决了传输速度慢的问题，但传输距离依旧较近,不能超过5m。

Camera Link接口：

需要额外购买图像采集卡（基本1w左右），成本高。

Camera Link接口的相机，实际应用中比较少。

采用LVDS接口标准，速度较快，抗干扰能力强，功耗低。 传输距离近。

1.11 相机触发方式

软件触发模式：对动态检测以及产品通过连续运动触发信号的时候可以选择（软件控制）。

硬件触发模式：对高速动态检测以及产品通过高速运动触发信号的时候选择（传感器或者机械开关控制）。

连续采集模式：对静态检测以及产品连续运动不能够触发信号的时候选择。

1.12 相机与镜头接口类型

一般的相机都是C/CS接口的，需要注意与镜头的对应。如果有其它接口的镜头，也要考虑相机的接口。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头，CS接口的相机可以加一个转接头使用C接口的镜头。

F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型。

V接口镜头是Schneider(施奈德)镜头所主要使用的标准，一般也用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头。

注意相机的镜头的接口，否则可能出现买的相机和已有的镜头不兼容。

1.13 相机色彩的选择

如果项目是与图像颜色有关，采用彩色相机，否则建议用黑白的，不仅成本低而且精度高。

1.14 拖影

拍摄运动图像时，同一物体，在图片上重复成像的现象。原因是：运动的物体在感光芯片上所成的像，在曝光时间内，移动的距离超过一个像元尺寸。—根据这条，我们可以计算出需要的曝光时间从而避免拖影。

2、相机选型

相机的选型，首先要明确需求：1.检测精度 2.视野大小（FOV） 3.物体/相机是否运动

例子：已知客户的镜头尺寸是1/3，接口是CS接口，视野大小为12x10mm,要求的精度为0.02pixel/mm的精度，请问我们应该选择什么样的相机？

2.1 测量的精度和视野范围->确定相机的分辨率

一般情况下，相机像素精度要高于系统要求的精度，因此，在实际工业应用中，实际的分辨率是理论分辨率的3-5倍，一般取4。

理论分辨率(更低分辨率从)=（视野长边/理论精度）*（视野短边/理论精度）=(12/0.02)x(10/0.02)=600x500

实际分辨率=600x500x4=1200x1000（然后就近选择）

2.2 物体运动方式->相机的快门方式

运动物体选择全局快门；静止物体则选择卷帘快门。

2.3 物体的运动速度->相机的帧率

通常来说，相机的分辨率越低，同样的接口，帧率也会越高，而分辨率越高，帧率也会越低。帧率*分辨率≤总线带宽，即在接口一定(总线带宽已经确定)，分辨率一定时，帧率也是有其更大值的。即要想相机的分辨率快，又要想相机的帧率高，那么就需要找更大带宽的总线，也就是相机的输出接口。

根据检测的速度，选择相机的帧率一定要大于物体运动的速度，一定要在相机的曝光和传输时间内完成。

2.4 检测内容->彩色/黑白相机

如果是色彩识别、色彩缺陷检测等处理与颜色相关，则选择彩色相机，其他都使用黑白相机。相同分辨率，黑白相机精度高、对比度好等，价格便宜。

对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机，对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。

2.5 镜头和工作场景->相机的Sensor靶面尺寸

靶面尺寸的大小直接影响拍摄视野的大小。在同样的工作距离、同样的镜头下，传感器尺寸大，可以拍摄更大的视野。（想象小孔成像模型即可）。

2.6 帧率、传输距离、经济性->相机接口

目前市场上常见的相机接口 USB2.0、USB3.0、干兆网接口。

USB2.0理论带宽 450Mb/s，传输距离 5m。

USB3.0 理论带宽 5Gb/s，传输距离 5m。

千兆网接口理论带宽 1Gb/s，传输距离 100m。

Camera Link接口传输速度快，传输距离近，需要配套图像采集卡，成本高。