计算机视觉硬件知识点整理六：工业相机选型

前言

随着科技的不断进步，工业自动化领域正经历着前所未有的变革。作为工业自动化的重要组成部分，工业相机在工业检测、测量、识别等方面发挥着不可替代的作用。然而，面对市场上种类繁多的工业相机，如何选择一款适合自己的产品成为众多企业面临的难题。本文将从工业相机的选型原则、技术参数、应用场景等方面，为读者提供一份全面的工业相机选型指南，帮助企业在工业相机选型过程中做出明智的决策。

一、工业数字相机的分类

工业相机作为自动化系统中的关键组件，其选型直接影响到生产效率和检测精度。以下是对不同类型工业相机的详细解析，以帮助用户根据具体需求做出合适的选择。

芯片类型：

• CCD相机：电荷耦合器件相机，以高图像质量和灵敏度著称。
• CMOS相机：互补金属氧化物半导体相机，特点是成本低、功耗小。

输出色彩：

• 单色（黑白）相机：适用于不需要色彩信息，但需要高灰度层次和对比度的场景。
• 彩色相机：提供丰富的色彩信息，适用于颜色识别需求的应用。

传感器结构特性：

• 线阵相机：适用于连续物体检测，如卷材和流水线产品，包括黑白、3Line彩色和 3CCD彩色（分光棱镜）等。
• 面阵相机：适用于静态物体或场景的一次性成像，如零件检测和平面物体拍摄，包括黑白、Bayer彩色和3CCD彩色（分光棱镜）等。

输出信号方式：

• 模拟相机：如PAL和NTSC，信号以模拟形式传输。
• 数字相机：如IEEE1394、USB2.0、Camera Link、GigE等，具有更高的信号精度和抗干扰能力。

扫描方式：

• 隔行扫描相机：先扫描奇数行，再扫描偶数行，可能会产生图像闪烁。
• 逐行扫描相机：逐行依次扫描，图像更稳定、清晰。

分辨率大小：

• 普通分辨率相机：满足一般精度要求的应用。
• 高分辨率相机：适用于对细节要求极高的检测任务。

输出信号速度：

• 普通速度相机：适用于常规拍摄需求。
• 高速相机：能够捕捉快速运动的物体，常用于动态检测。

响应频率范围：

• 可见光（普通）相机：对400nm - 1000nm波长的可见光有良好响应。
• 红外相机：响应波长在700nm以上的红外线。
• 紫外相机：可以响应200nm - 400nm的短波紫外线。

二、相机的主要参数

• 分辨率
  分辨率是衡量相机性能的关键指标之一，它由芯片的像元数量决定。面阵相机通常用水平和垂直分辨率来表示，例如 1920（H）x 1080 (V)。在相同的视场范围内，分辨率越高，对物体细节的呈现就越清晰。然而，分辨率的高低也会影响相机采集图像的帧率，一般来说，分辨率越高，帧率越低。

• 速度（帧频 / 行频）
  相机采集图像的频率是另一个重要参数。对于面阵相机，通常用帧频（fps）来衡量，如 30fps 表示每秒能采集 30 帧图像；线阵相机则常用行频（KHz）表示，例如 12KHz 意味着每秒能采集 12000 行图像数据。相机的速度受到芯片性能和时钟频率的限制。

• 曝光方式和快门速度
  线阵相机多采用逐行曝光，可通过固定行频和外触发同步的方式采集图像，曝光时间灵活设置。面阵相机常见的曝光方式有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等。数字相机一般具备外触发采图功能，快门速度可达 10 微秒甚至更快，以满足高速拍摄的需求。

• 噪声
  相机成像过程中的噪声主要包括散粒噪声（由有效信号引起）和相机固有噪声（与信号无关）。此外，数字相机在模拟转换过程中还会产生量化噪声，通过提高量化位数可以降低噪声。

• 信噪比
  信噪比是图像中信号与噪声的比值，反映了图像质量的优劣。高信噪比意味着图像质量好，能够更准确地呈现被拍摄物体的特征。

• 动态范围
  它表示相机能够探测的光信号强度范围。有光学动态范围（由芯片特性决定）和电子动态范围（由电路特性决定）之分。动态范围越大，相机在不同光照条件下的适应能力越强。
  

• 像元 / 像素深度
  像元或像素深度是指每个像素点能够表示的颜色或灰度级别的位数。常见的像素深度有 8Bit、10Bit、12Bit 等。像素深度越高，能够表示的灰度等级或颜色数量就越多，从而能够提供更丰富的图像细节和更高的精度。然而，像素深度越高，也会增加系统的数据处理负担，可能导致处理速度下降，同时也会增加系统的集成难度。

• 光谱响应
  相机对不同波长光线的响应能力称为光谱响应。不同类型的相机对光谱的响应范围不同，这决定了它们在不同拍摄条件下的适用性。例如，一些相机可能对可见光有良好的响应，而另一些则可能对红外或紫外光有更好的响应。根据被测物体的发光波长或反射特性，选择具有相应光谱响应的相机，可以确保获得准确、清晰的图像。

• 光学接口
  相机的光学接口决定了镜头与相机之间的连接方式。常见的接口类型包括 C 口、CS 口、F 口等。每种接口的后截距（即镜头后端到成像平面的距离）和安装方式都有所不同。在选择相机时，需要根据实际需求选择合适的镜头接口，以确保镜头能够正确地安装在相机上，并实现最佳的成像效果。

三、工业数字摄像机主要接口类型

目前，常见的工业数字摄像机接口主要有 Usb2.0、IEEE 1394、CameraLink、GigE 等。不同的接口类型在传输速度、稳定性和兼容性等方面各有特点，应根据具体应用场景进行选择。

四、选择工业相机的考量因素

在选择工业相机时，需要综合考虑多个因素。首先，明确检测任务的性质和要求至关重要。需要考虑的是静态拍照还是动态拍照，拍照的频率是多少，是进行缺陷检测、尺寸测量还是定位，产品的大小和拍摄视野范围如何，对精度的要求达到什么程度，以及所使用的软件性能如何。此外，现场环境的温度、湿度、干扰情况以及光照条件等也必须纳入考虑范畴，同时留意是否存在其他特殊要求。
对于动态拍照，要根据物体的运动速度来确定最小曝光时间，并判断是否需要选择逐行扫描的相机。根据检测任务、产品尺寸、精度要求以及软件性能等因素，可以计算出所需工业相机的分辨率。考虑现场环境时，要选择能够适应温度、湿度、干扰和光照等条件的相机。
在精度方面，通过公式“相机像素精度 = 单方向视野范围大小 / 相机单方向分辨率”和“相机单方向分辨率 = 单方向视野范围大小 / 理论精度”，可以根据待观察或测量物体的精度要求来选择合适的工业相机分辨率。

六、实例分析

假设要检测一个物体表面的划痕，要求拍摄的物体大小为 10×8mm，检测精度为 0.01mm 。先计算相机的最低分辨率。假设拍摄视野范围在 12×10mm，那么相机的最低分辨率应约为 120 万像素，市面上常见的是 130 万像素相机，通常会选用此类相机。但为了提高系统的精准度和稳定性，若使缺陷面积在 3 到 4 个像素以上，所选相机的像素应不低于 300 万，一般 300 万像素的相机效果最佳。再看相机的曝光时间。假设目标运动速度是 1mm/S，测量精度是 0.01mm/pixel ，物体移动 0.01mm 需要用时 10ms ，这就要求相机的曝光时间必须小于 10ms 。一般工业相机的最快曝光时间可达几十至一百多微秒。如此短的曝光时间对光能量的要求较大，因此需要选择合适的光源与光源控制器。综上所述，选择工业相机需要综合考虑多方面的因素，通过对相机类型、参数、应用场景和实际需求的全面分析，才能选出最适合的相机，从而满足工业检测和图像采集的要求，提高生产效率和产品质量。