116、機(jī)器視覺選擇合適工業(yè)相機(jī)

1.應(yīng)用不同選用CCD或CMOS

CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)物體的圖像提取，如貼片機(jī)機(jī)器視覺，當(dāng)然隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，許多貼片機(jī)也在選用CMOS工業(yè)相機(jī)。用在視覺自動(dòng)檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。 CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)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(duì)角線為 16mm 之對(duì)應(yīng)面積。根據(jù)『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(shù)，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(duì)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(zhuǎn)接口）；

3.像素深度（Pixel Depth）

即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。

4.掃描類型(Scan type)

相機(jī)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(duì)物體的一條線進(jìn)行成像，那么，這種掃描類型成為線掃描(line scan)，這樣的相機(jī)稱為線陣相機(jī)。如果CCD芯片的感光區(qū)是個(gè)矩形陣面(如圖2.2右所示)，換句話說，每次能對(duì)物體進(jìn)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(jī)稱為面陣相機(jī)。

面陣相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，處理方面，可以直接獲得一幅完整的圖像。線陣相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是速度快，分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的連續(xù)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(jī)很難檢測)；其缺點(diǎn)是需要拼接圖像的后續(xù)處理。圖2.3給出了線陣相機(jī)的一個(gè)成像實(shí)例，以幫助大家更好的理解線陣相機(jī)的成像過程。

按照掃描方式不同，面陣相機(jī)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(shù)場（1、3、5……），再顯示偶數(shù)場（2、4、6……），如圖2.4所示。

隔行掃描相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，但由于隔行掃描方式是先掃奇數(shù)場，再掃偶數(shù)場，所以隔行掃描相機(jī)在拍運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)候容易出現(xiàn)鋸齒狀邊緣或疊影。

逐行掃描相機(jī)則沒有上述的缺點(diǎn)，由于所有行同時(shí)曝光，不會(huì)分先后，所以在拍攝運(yùn)動(dòng)圖像畫面清晰，失真小。其余參數(shù)相似的情況下，逐行掃描相機(jī)要比隔行掃描相機(jī)貴。

5.相機(jī)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?cái)?shù)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(xì)節(jié)表現(xiàn)得更充分。

與分辨率聯(lián)系非常緊密的參數(shù)是視場(Field of View)和特征分辨率

需要選擇合適的分辨率，根據(jù)系統(tǒng)的需求來選擇相機(jī)分辨率的大小，通常系統(tǒng)的像素精度等于視場（長或?qū)挘┏韵鄼C(jī)分辨率（長或?qū)挘?。如視場?0mm×7.5mm，使用130萬像素的相機(jī)，則相機(jī)分辨率為1280×960Pixel，則像素精度為10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一個(gè)應(yīng)用案例來分析。 假設(shè)檢測一個(gè)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(shè)我們要拍攝的視野范圍在1210mm,那么相機(jī)的最低分辨率應(yīng)該選擇在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,約為120萬像素的相機(jī)，也就是說一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jī)，因此一般而言是選用130萬像素的相機(jī)。但實(shí)際問題是，如果一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會(huì)極不穩(wěn)定，因?yàn)殡S便的一個(gè)干擾像素點(diǎn)都可能被誤認(rèn)為缺陷，所以我們?yōu)榱颂岣呦到y(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，最好取缺陷的面積在3到4個(gè)像素以上，這樣我們選擇的相機(jī)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(jī)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(shí)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(gè)像素來表示，根據(jù)視場和相機(jī)分辨率，我們可以計(jì)算出特征分辨率。計(jì)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(jī)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(jī)的圖像傳輸方式

按照不同的圖像傳輸方式，相機(jī)可以大略的分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)。

模擬相機(jī)（PCI采集卡）

對(duì)速度，精度要求不高可選擇 。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定，性價(jià)比高 缺點(diǎn)：幀率低，一般只能達(dá)到25幀—30幀 ，分辨率不高等。在高速、高精度機(jī)器視覺應(yīng)用中，一般都會(huì)考慮數(shù)字相機(jī)。

數(shù)字相機(jī)

數(shù)字相機(jī)先把圖像信號(hào)數(shù)字化后通過數(shù)字接口傳到電腦中。常見的數(shù)字相機(jī)接口有Firewire、CameraLink、GigE和USB。

（1）Firewire即IEEE1394，開始是為數(shù)字相機(jī)和PC連接設(shè)計(jì)的，它的特點(diǎn)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(jī)額外購買一塊圖像采集卡了，這在成本上也是一種優(yōu)勢。優(yōu)點(diǎn)：不占系統(tǒng)CPU，幀頻高， 缺點(diǎn)：占PCI插槽，價(jià)格昂貴

（2）Camera Link是一個(gè)工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)連接標(biāo)準(zhǔn)，它是由National Instruments、攝像頭供應(yīng)商和其他圖像采集公司在2000年10月聯(lián)合推出的，它在一開始就對(duì)接線、數(shù)據(jù)格式、觸發(fā)、相機(jī)控制等做了考慮，所以非常方便機(jī)器視覺應(yīng)用。Camera Link的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)1Gbits/s，可提供高速率、高分辨率和高數(shù)字化率，信噪比也大大改善。Camera Link的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線長3米，最長可達(dá)10米。如果是高速或高分辨率的應(yīng)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(wǎng)接口，它綜合了高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)，而且電纜便宜(網(wǎng)線)。缺點(diǎn)是支持這種接口的相機(jī)型號(hào)比較少，選擇有限。

（4）USB接口工業(yè)數(shù)字相機(jī)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(shù)字相機(jī)產(chǎn)品。此系列不需要額外的采集設(shè)備即可獲得實(shí)時(shí)無壓縮視頻數(shù)據(jù)和對(duì)圖像的捕捉。全面兼容MICROSOFT WINDOWS所有應(yīng)用環(huán)境,適用于計(jì)算機(jī)圖像采集的各種應(yīng)用場合。現(xiàn)在USB3.0接口的工業(yè)相機(jī)也問世了，傳輸速度是USB2.0接口的5倍多。在醫(yī)療、科技和工業(yè)等光電技術(shù)應(yīng)用方面稱霸的德國NET相機(jī)就是USB3.0接口

優(yōu)點(diǎn)：不需要占PCI插槽，幀頻高，性價(jià)比高 缺點(diǎn)：占系統(tǒng)CPU