116、機器視覺選擇合適工業相機

1.應用不同選用CCD或CMOS

CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。 CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

CCD尺寸的解釋：基本上，常用的 CCD 尺寸并不是『單位』而是『比例 』！ 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應面積。根據『勾股定理』，可得出該三角之三邊比例為 4：3：5；換句話說，我無須給你完整的面積參數，只要給你該三角形最長一邊長度，你就可以透過簡單的定理換算回來。有了固定單位的 CCD 尺寸就不難了解余下 CCD Size 比例定義了，例如: 1/2" CCD Size 的對角線就是 1"的一半為8mm，面積約為 [(8/5) 4 (8/5)*3]/122.88=1/4。

2.與鏡頭的匹配

傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）；

3.像素深度（Pixel Depth）

即每像素數據的位數，一般常用的是8Bit，對于數字相機機一般還會有10Bit、12Bit等。

4.掃描類型(Scan type)

相機中的成像元件是CCD芯片。如果CCD芯片只有一行感光器件(如圖2.2左所示)，換句話說，每次只能對物體的一條線進行成像，那么，這種掃描類型成為線掃描(line scan)，這樣的相機稱為線陣相機。如果CCD芯片的感光區是個矩形陣面(如圖2.2右所示)，換句話說，每次能對物體進行整體成像，那么，這種掃描類型成為面掃描(line scan)，這樣的相機稱為面陣相機。

面陣相機的優點是價格便宜，處理方面，可以直接獲得一幅完整的圖像。線陣相機的優點是速度快，分辨率高，可以實現運動物體的連續檢測，比如傳送帶上的濾波等帶狀物體(這種情況下，面陣相機很難檢測)；其缺點是需要拼接圖像的后續處理。圖2.3給出了線陣相機的一個成像實例，以幫助大家更好的理解線陣相機的成像過程。

按照掃描方式不同，面陣相機還可以分為隔行掃描(Interlaced scan)和逐行掃描(Progressive Scan)。隔行掃描方式下一幅完整圖像分兩次顯示，首先顯示奇數場（1、3、5……），再顯示偶數場（2、4、6……），如圖2.4所示。

隔行掃描相機的優點是價格便宜，但由于隔行掃描方式是先掃奇數場，再掃偶數場，所以隔行掃描相機在拍運動物體的時候容易出現鋸齒狀邊緣或疊影。

逐行掃描相機則沒有上述的缺點，由于所有行同時曝光，不會分先后，所以在拍攝運動圖像畫面清晰，失真小。其余參數相似的情況下，逐行掃描相機要比隔行掃描相機貴。

5.相機分辨率

分辨率是影響圖像效果的重要因素，我們一般用水平和垂直方向上所能顯示的像素數來表示分辨率，例如640×480。該值越大圖形文件所占用的磁盤空間也就越多，從而圖像的細節表現得更充分。

與分辨率聯系非常緊密的參數是視場(Field of View)和特征分辨率

需要選擇合適的分辨率，根據系統的需求來選擇相機分辨率的大小，通常系統的像素精度等于視場（長或寬）除以相機分辨率（長或寬）。如視場為10mm×7.5mm，使用130萬像素的相機，則相機分辨率為1280×960Pixel，則像素精度為10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一個應用案例來分析。 假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為108mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野范圍在1210mm,那么相機的最低分辨率應該選擇在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,約為120萬像素的相機，也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話，那么最低分辨率必須不少于120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機，因此一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是，如果一個像素對應一個缺陷的話，那么這樣的系統一定會極不穩定，因為隨便的一個干擾像素點都可能被誤認為缺陷，所以我們為了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少于300萬像素，通常采用300萬像素的相機為最佳 。

特征分辨率(Feature Resolution)，如圖2.5所示。視場是指能拍攝到的范圍，特征分辨率是指能分辨的實際物理尺寸。

NI Vision Module中的圖像算法要求，物體最小的特征需要兩個像素來表示，根據視場和相機分辨率，我們可以計算出特征分辨率。計算特征分辨率的公式為： 特征分辨率 = 視場/分辨率 * 2

例如：相機分辨率為640 x 480，橫向的視場是60mm，那么在橫向的特征分辨率為：60/640*2 = 0.1875 mm。

6.相機的圖像傳輸方式

按照不同的圖像傳輸方式，相機可以大略的分為模擬相機和數字相機。

模擬相機（PCI采集卡）

對速度，精度要求不高可選擇 。優點：穩定，性價比高 缺點：幀率低，一般只能達到25幀—30幀 ，分辨率不高等。在高速、高精度機器視覺應用中，一般都會考慮數字相機。

數字相機

數字相機先把圖像信號數字化后通過數字接口傳到電腦中。常見的數字相機接口有Firewire、CameraLink、GigE和USB。

（1）Firewire即IEEE1394，開始是為數字相機和PC連接設計的，它的特點是速度快(400Mbits/s)，通過總線供電和支持熱插拔。另外值得一提的是，如果PC上自帶Firewire接口，那么不需要為相機額外購買一塊圖像采集卡了，這在成本上也是一種優勢。優點：不占系統CPU，幀頻高， 缺點：占PCI插槽，價格昂貴

（2）Camera Link是一個工業高速串口數據連接標準，它是由National Instruments、攝像頭供應商和其他圖像采集公司在2000年10月聯合推出的，它在一開始就對接線、數據格式、觸發、相機控制等做了考慮，所以非常方便機器視覺應用。Camera Link的數據傳輸率可達1Gbits/s，可提供高速率、高分辨率和高數字化率，信噪比也大大改善。Camera Link的標準數據線長3米，最長可達10米。如果是高速或高分辨率的應用，Camera Link肯定是首選。需要接圖像采集卡，成本較高。

（3）GigE即千兆以太網接口，它綜合了高速數據傳輸和遠距離的特點，而且電纜便宜(網線)。缺點是支持這種接口的相機型號比較少，選擇有限。

（4）USB接口工業數字相機是采用了高速USB2.0 接口和大面陣CMOS圖像傳感器的高分辨率數字相機產品。此系列不需要額外的采集設備即可獲得實時無壓縮視頻數據和對圖像的捕捉。全面兼容MICROSOFT WINDOWS所有應用環境,適用于計算機圖像采集的各種應用場合。現在USB3.0接口的工業相機也問世了，傳輸速度是USB2.0接口的5倍多。在醫療、科技和工業等光電技術應用方面稱霸的德國NET相機就是USB3.0接口

優點：不需要占PCI插槽，幀頻高，性價比高 缺點：占系統CPU