工业相机

工业相机（Industrial Camera）也称作“机器视觉相机”，是机器视觉系统中的一个关键组件，其最基础功能就是将光信号转变成为有序的电信号。相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，“工业相机”一词或许不是很准确，因为这些相机还同时被应用在医疗、科研和安保等领域。

 

数字工业相机安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断，通过数字图像摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。数字工业相机广泛应用于饮料、制药、电子制造、包装、汽车制造等行业。

工业相机由两大基本部件组成：图像感光芯片和数字化的数据接口。 图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成。 像素把光线的强度转换为电压输出。 这些像素的电压被以灰度值的形式输出，所有像素放在一起就形成了图像，发送给计算机。 数据接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太网三种。 一般工业相机都提供640x480像素的分辨率和30fps的帧速率。

 

工业相机（Industrial Camera）与普通相机（DSC）的区别：

1、工业相机的快门时间非常短，可以抓拍快速运动的物体：例如，把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，然后用工业相机抓拍一张图像，仍能够清晰辨别名片上的字体。用一般的相机来拍摄，是不可能达到这样效果的。

2、工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而一般摄像机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔三行扫描的。逐行扫描的图像传感器生产比较困难，成品率低，出货量也少，世界上只有少数几个公司能够提供这类产品，例如Dalsa、Sony，而且价格昂贵。百万级逐行扫描CCD的价格，从人民币4000元到3万元不等，其中的技术参数繁多，只有采用逐行扫描的图像传感器，才有可能清晰抓拍快速运动物体。

3、工业相机的拍摄速度远远高于一般相机：工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而一般相机只能拍摄2-3幅图像，相差太多了。

4、工业相机输出的是裸数据（raw data），其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，例如机器视觉（Machine Vision）应用。而一般的相机（DSC）拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了mjpeg压缩，图像质量较差。

工业相机的主要特点

图像感光芯片：

以前工业相机都使用CCD芯片。 这使得相机具有高灵敏度和低图像噪声。 此外，CCD工业相机还具有以下三个主要特征：

 

1、全局快门;
2、黑白与彩色两种型号;
3、长期都有库存;

与此同时，越来越多的CMOS感光芯片也被用于工业相机领域。 由于它们成本较低，可以有效降低机器视觉应用的整体造价。 但大多数CMOS相机的卷帘式快门限制了其应用领域。

数字图像处理：

数字感光芯片还将一些物理及化学方面的属性（如温度、酸度等）转换为数字信号。 感光芯片不对这些属性进行任何分析处理，它们只是尽可能准确的将其转换为数字信号。 工业相机本质上是将光子信号转换为数字信号的设备， 而这里所谓的数字信号就是图像。 这些图像不一定非得看起来如何美轮美奂， 在工业机器视觉领域，只需要相机尽可能精确的将光信号转换为电信号。 所以，工业相机不会美化它拍摄的画面， 同理，机器视觉领域也应尽量避免压缩图像，只输出裸数据（raw data）。

手动设置：
上一节介绍了工业相机的本质， 用户需要自行设置感光芯片的属性。 因此，所有相机参数（如曝光、增益等）都应能被用户控制。

镜头：
机器视觉技术的应用领域非常广泛。 因此，大部分工业相机在发售时都不带镜头，但带有镜头基座。 镜头接口有两种型号：C和CS。 此外，市场上还有显微镜、望远镜、内窥镜等其它基于这些装配接口标准的镜头。

数字 I/O接口：
机器视觉的定义不仅仅是捕捉到图像，还包括与机器的交互。 为此，工业相机提供了数字I/O接口。 数字I/O接口用的最多的就是外触发输出。 在外触发模式下，相机根据外界事件触发快门，捕捉图像。 典型的应用就是传送带上安装光栅，然后将工业相机放置在旁边。 当有目标物体经过光栅时，触发脉冲信号，进而让相机曝光。

编程界面：
工业相机是数字化的图像感应设备。 其信号——即图像——最终还是要由计算机进行分析。 在进行图像分析前，首先需要设置相机参数和捕捉图像。 通常，机器视觉需要相机控制、图象采集和图象分析这三部分整合为一个程序。 工业相机的生产商一般也都会提供编程接口，用于相机控制和图象采集。 通常，这些接口是专有的。

长期稳定性：
机器视觉最早被应用在工业生产领域。 在该领域的各类组件都必须跟上技术的潮流，但同时还得保证长期供应。 因此，工业相机经常采用了模块化组件和标准化接口。

工业相机的主要类型和种类

工业相机的主要类型：

目前市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

工业相机的分类：

工业相机按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机；按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机；按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；按照输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

工业相机的选择

利用机器视觉做图像处理，处理的对像是从工业相机来的图像，所以，工业相机的选择是不可缺少而且非常重要的一步。

首先要弄明白的是自己的检测任务，是静态拍照还是动态拍照、拍照的频率是多少、是做缺陷检测还是尺寸测量或者是定位、产品的大小（视野）是多少、需要达到多少精度、所用软件的性能、现场环境情况如何、有没有其它的特殊要求等。如果是动态拍照，运动速度是多少，根据运动速度选择最小曝光时间以及是否需要逐行扫描的相机；而相机的桢率（最高拍照频率）跟像素有关，通常分辨率越高桢率越低，不同品牌的工业相机的桢率略有不同；根据检测任务的不同、产品的大小、需要达到的分辨率以及所用软件的性能可以计算出所需工业相机的分辨率；现场环境最要考虑的是温度、湿度、干扰情况以及光照条件来选择不同的工业相机。

举例说明：如我们的检测任务是尺寸测量，产品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，检测速度是10件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰问题。首先我们知道是流水线作业，速度比较快，因此选用逐行扫描相机；视野大小我们可以设定为20mm*12mm（考虑每次机械定位的误差，将视野比物体适当放大），假如我们能够取到很好的图像（比如可以打背光），而且我们软件的测量精度可以考虑1/2亚像素精度，那么我们需要的相机分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel（像素），另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是说我们相机的分辨率至少需要1000*600pixcel，桢率在10桢/秒，因此选择1024*768像素（软件性能和机械精度不能精确的情况下也可以考虑1280*1024pixcel），桢率在10桢/秒以上的即可。

工业相机主要参数：

• 分辨率(Resolution)：相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于数字工业相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。
• 像素深度(Pixel Depth)：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
•  最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate)：相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。
• 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter)：对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速工业相机还可以更快。
• 像元尺寸(Pixel Size)：像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶面的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
• 光谱响应特性(Spectral Range)：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm,一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

工业相机接口及选型：

工业相机接口USB2.0IEEE 1394aIEEE 1394bGigE VisionCamera Link模拟电缆长度5米(加转发器可达20米)10米(加转发器可达72米)4.5米(加转发器可达72米)100米可达15米(取决于带宽)可达100米以上或更长带宽60 Mbytes/s50 Mbytes/s100 Mbytes/s125 Mbytes/s>250 Mbytes/s—传输率480 Mb/s400 Mb/s800 Mb/s1000 Mb/s>2000 Mb/s—标准USB2.0标准IEEE 1394贸易联合会DCAM标准IEEE 1394贸易联合会DCAM标准GigE Vision标准AIA Camera Link 标准多种视频信号标准

【转自】http://www.vertpedia.com/showwiki.asp?keywords=��ҵ���