工业相机（一）

CCD与CMOS

 

工业相机按照图像的传感器元件的不同分为CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两类，两者的区别如下：

成像过程不同：

CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一输出数据，信号一致性好，而CMOS芯片中每个像素都有自己的信号放大器，各自进行电荷到电压的转换，输出信号的一致性较差，比CCD的信号噪声更多，但是CMOS的一个显著优点是功效较低。

集成性不同：

CCD的制造工艺复杂，输出的只是模拟电信号，还需要后续的译码器，模拟转换器，图像信号处理器等，集成度低。COMS可以把信号放大器，模数转换器等集成在一块芯片上，集成度高，成本低。随着CMOS成像技术的进步，CMOS未来会有越来越多的应用场景。

图像输出速度不同：

CCD采用逐个光敏输出，速度较慢，CMOS每个电荷元件都有独立的装换控制器，读出速度很快，FPS在500以上的高速相机大部分使用的都是CMOS。

噪声方面：

CCD技术较为成熟，成像质量相较CMOS具有一定优势，CMOS的集成度更高，各元器件间距距离更近，干扰更多。

线阵相机与面阵相机

 

线阵相机的传感器只有一行感光元素，一般应用于需要高频扫描和高分辨率的场合。线阵CCD的优点是一维像元数可以做到很多，一般长度有2K,4K,8K,12K，但线阵CCD获取图像必须配以扫描运动，为了能确定图像上每一个像素点在被测件上的对应位置，还需要配以光栅等器件记录线阵CCD每一扫描行的坐标，并配以线阵相机专用的图像采集卡，这就导致线阵相机系统较为复杂，成本略高，并用容易受扫描运动的精度和稳定性的影响。面阵相机的像元在纵横两个方向上间隔的离散度是一致的，而线阵CCD的像元间距和扫描行距上一般是有差别的，由于扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。

面阵相机有比线阵相机更多的感光镜片，以矩阵排列，例如常说的百万像素相机即表示感光镜片矩阵W*H约等于1000*1000。面阵相机一次成像，它的分辨率指的是一个感光晶片代表的实物物体的大小。数值越小，分辨率越高，相同的相机选用不同集中的箭头，分辨率就不同。在表现图像细节方面，不是由相机的像素多少来决定的，而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下，像素越多可以成像的区域面积越大。

工业相机的输出接口：

 

工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器，那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理，则有多种输出接口选择，但必须和采集卡的接口一致，通常有以下几种方式：

1.USB接口

USB接口直接输出数字图像信号，串行通信，支持热拔插，传输速度在120Mbps-480Mbps之间，会占用CPU资源。传输距离较短，稳定性稍差。

目前广泛采用的USB2.0接口，是最早应用的数字接口之一，具有开发周期短，成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢，传输数据过程需要CPU参与管理，占用资源，且由于接口没有螺丝固定，链接容易松动，最新的USB3.0接口使用了新的USB协议，可以更快的传输数据，但目前USB3.0的相机市场上不是很多。

2.1394a/1394b接口

俗称火线接口，是美国电气和电子工程师学会（IEEE）制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集，数据传输率可达800Mbps，支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡，使用不方便，且由于早期苹果对该技术的垄断，市场普及率较低，已慢慢被市场所淘汰。

3.Gige接口

千兆以太网接口，PC标准接口，传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点，使用方便，CPU资源占用少，可多台同时使用。

4.Camera Link接口

需要单独的Camera Link采集卡，成本较高，便携性低，实际应用中较少，但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式，一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用，价格昂贵。

 

5、工业相机的主要参数。

　　①分辨率 

    ②速度（帧频/行频） 

    ③噪声 

    ④信噪比 

    ⑤动态范围 

    ⑥像元深度

　　⑦光谱响应 

    ⑧光学接口

 

6、工业相机分辨率的定义。

　　分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。现在相机的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048), 3K(4096)等。在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。

 

7、工业相机的帧频和行频的概念

　　相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧频表示，单位fps（Frame Per second），如30fps,表示相机再1秒钟内最多能采集30帧图像；例如：MV-VD078SC这个型号的相机，线阵相机通常用行频便是单位KHz,如12KHz表示相机再1秒钟内最多能采集12000行图像数据。速度是相机的重要参数，在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确的对物体成像。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。

 

8、工业相机噪声的概念

　　工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。根据欧洲相机测试标准EMVA1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方=信号的均值）。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。

 

9、工业相机信噪比的概念

　　相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，图像质量越好。

 

10、工业相机的动态范围。

　　相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：

　　动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号

　　动态范围可用倍数、dB或Bit等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

 

11、工业相机里的像元深度。

　　数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗而255代表全亮。介于0和25之间的数字代表一定的亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。

 

12、工业相机的硬件接口？

　　硬件接口是指相机与镜头之间的接口，常用的镜头的接口有C口，CS口，F口。

 

13、工业相机的分类。

　　①按照芯片结构分类：CCD相机 & CMOS相机 

　  ②按照传感器结构分： 面阵相机 & 线阵相机

　　③按照输出模式分类：模拟相机 & 数字相机 

　　④彩色相机&黑白相机 

 

14、工业相机与普通数码相机的区别。

　　答：①工业相机的快门时间特别短，能清晰地抓拍快速运动的物体，而普通相机抓拍快速运动的物体非常模糊

　　    ②工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通相机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔三行扫描

　　    ③工业相机的拍摄速度远远高于普通的相机；工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅的图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像。

　　    ④工业相机输出的是裸数据，它的光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，普遍应用于机器视觉系统中。而普通相机拍摄的图片，它的光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了MPEG压缩，图像质量也较差

 

15、如何选择线阵相机？

　　①计算分辨率；幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

　　②检测精度；幅宽除以像素得出实际检测精度。

　　③扫描行数；每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

　　根据以上计算结果选择线阵相机

　　举例如下：如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s 相机：1600/1＝1600像素 最少2000像素，选定为2k相机 1600/2048＝实际精度 22000mm/＝ 应选定相机为2048像素28kHz相机