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在工業生產和自動化范疇內，視覺系統占據著舉足輕重的地位，其中，工業相機作為這些系統的基石，發揮著類似人類視覺的關鍵作用。工業相機的應用領域極為廣泛，涵蓋了從產品質量檢測到自動化流水作業，再到智能交通管理體系及無人機技術等多個方面，其市場規模持續擴大，技術復雜度也在不斷提升。

1、什么是工業相機？

工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。機器視覺系統通過圖像攝取裝置（即工業相機）將被攝目標轉化為圖像信號，這些信號被傳送到專用的圖像處理系統。系統根據像素分布、亮度、顏色等信息，將這些信號轉化為數字化信號，并進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

簡單來說，工業相機是一種專為工業環境設計的高性能圖像傳感設備。它可以在各種嚴苛條件下持續工作，并提供穩定、準確的圖像數據。許多工業相機需要不間斷運行，以支持現代工業的復雜需求。

工業相機通常由圖像傳感器（如CCD或CMOS）、鏡頭、信號處理器、數據接口和外殼等器件構成。工業相機常見的分類有以下幾種，可以按功能或工作方式劃分為：

? 按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；

? 按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機（1D）、面陣相機 （2D），3D相機；

? 按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機；

? 按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；

? 按照光譜響應頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

2、工業相機常用參數：

1. 分辨率（Resolution）

定義：相機每次采集圖像的像素點數，由相機所采用的感光芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數量（即像素數）。

影響：在采集圖像時，相機的分辨率對圖像質量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節的展示越明顯。

表示方法：通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如1920（H）x1080（V），前面的數字表示每行的像元數量，后面的數字表示像元的行數。線陣相機的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

2. 像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素數據的位數，一般用多少比特位表示。

影響：像素深度決定了圖像灰階的豐富程度。比特位數越多，表達圖像細節的能力越強，灰階值更加豐富、分得更細。但數據量也越大，可能影響系統的圖像處理速度。

常見值：一般常用的是8Bit，對于數字相機還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

3. 最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對于面陣工業相機來說的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機每秒內最多可采集181幀圖像。行頻是相對于線陣工業相機來說的，單位是kHz，如80kHz，即相機每秒內最多可采集80000行圖像數據。

影響：幀率/行頻越高，相機在單位時間內采集的圖像數量越多，適用于需要快速捕捉動態圖像的場景。

4. 曝光方式和快門速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：對于線陣相機，通常是逐行曝光的方式；面陣相機則有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機還可以更快。快門速度越快，相機捕捉圖像的能力越強，適用于光線變化快或運動物體拍攝的場景。

5. 像元尺寸（Pixel Size）

定義：像元是組成數字化影像的最小單元，像元尺寸大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。

常見值：工業相機像元尺寸一般為3μm~14μm。

影響：像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多，圖像質量可能越高。但像元尺寸越小，制造難度越大。

6. 光譜響應特性（Spectral Range）

定義：指該像元傳感器對不同光波的敏感特性。

常見范圍：一般響應范圍是350nm~1000nm。一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線。如果系統需要對紅外感光，可去掉該濾鏡。

7. 接口類型（Interface Type）

常見類型：有Camera Link接口、以太網接口、1394接口、USB接口輸出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影響：接口類型決定了相機與圖像處理系統或其他設備之間的數據傳輸方式。選擇合適的接口類型可以確保數據傳輸的穩定性和速度。

8. 其他參數

動態范圍：描述每個像素能夠分辨出的灰度等級。寬動態范圍能夠使場景中亮場和暗場部分的細節同時被清晰的記錄下來。

噪聲：成像過程中不希望被采集到的、實際成像目標外的信號。根據歐洲機器視覺協會（EMVA）的EMVA1288標準，相機噪聲總體上分為由有效信號帶來的散粒噪聲和相機本身固有的與信號無關的噪聲兩類。

3、工業相機選型

工業相機選型時要注意以下幾點：

首先根據應用場景，選擇顏色，通常黑白相機就足夠滿足需求。但如果你需要測量彩色圖像，那么彩色相機是更好的選擇。接下來需要考慮的重要參數：

1. 分辨率的選擇。首先根據目標物體的精度要求選擇分辨率。這取決于你的測量精度和視場大小。記住，相機分辨率（L/W）應至少等于視場（L/W）除以精度。

2. 相機幀數選擇。當被測物體處于運動狀態時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。幀率是另一個關鍵參數。它決定了相機的測試效率。例如，30FPS的相機每秒最多拍攝30次，而120FPS的相機可每秒拍攝120次，能更快地檢查產品。

3.選擇合適的輸出接口。Camera Link、USB3、GIGE等接口的總線性能各不相同，會影響幀率。一般來說，Camera Link的性能最佳。

4.曝光時間也很關鍵。最小曝光時間決定了目標運動的最大速度。因此，在選定相機前，要考慮目標的運動速度。

5.傳感器也很重要。靜態目標可選擇卷簾CMOS相機以降低成本；動態目標則應優先考慮全局CMOS或CCD相機。傳感器尺寸同樣關鍵。尺寸越大，像元尺寸也越大，從而增加每個像元的感光面積，有助于提高圖像質量。

6. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C 或CS 安裝座也要匹配（或者增加轉接口）；

例如若檢測精度要求為0.01mm，且視野范圍為21mmx16mm，則相機分辨率應達到（21/0.01）X（16/0.01）計算結果約為300萬像素。若想獲取高質量的圖像以及實現高精度的檢測，我們可考慮采用分辨率更高的500萬像素相機。

相機的分辨率=視野/精度

幀率/行頻計算公式：面陣相機幀率=3目標速度/橫向視野 線陣工業相機行頻=運動速度/實際精度=運動速度*分辨率/視野

最大曝光時間=視野寬度/目標物運行速度*分辨率=精度/速度。

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