工业视觉系统相关知识和选型介绍（一）：相机篇

1.机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；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。 2.视觉系统主要由以下部分组成 1）照明光源 2）镜头 3）工业摄像机 4）图像采集/处理卡 （模拟相机） 5）图像处理系统 6）其它外部设备

模拟相机视觉系统（数字相机无图像采集卡）

工业相机：机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节。

工业相机特点与普通相机的区别： 1、工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的。 2、工业相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。 （例如，把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，设置合适的快门时间，用工业相机抓拍一张图像，仍能够清晰辨别名片上的字体。用普通的相机来抓拍，是不可能达到同样效果的。） 3、工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的。 4、工业相机的帧率远远高于普通相机。工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像，相差较大。 5、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。而普通相机拍摄的图片，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，不利于分析处理。 6、工业相机(Industrial Camera)相对普通相机(DSC)来说价格较贵。

1. 分辨率（Resolution）: 相机每次采集图像的像素点数，一般对应于光电传感器靶面排列的像元数，如1920*1080。

2. 像素深度（Pixel Depth）: 每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。 结合最大帧率，可计算出一秒需要传输和处理的数据量： 例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有

增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）: 相机采集和传输图像的速度，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec），对于线阵相机为每秒采集的行数（HZ）。 1）相机的帧率，一般来说分辨率越高，帧数越低 2）考虑到由运动控制等延时，我们的帧频要大于检测频率 3）人眼识别>16fps时会判断为连贯的，FPS为帧每秒。 结合见下面实例：一秒需要传输和处理的数据量

4. 像元尺寸（Pixel Size）: 像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般位3μm~10μm，通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。 1）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。 2）像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。

5. 靶面尺寸（长宽比通常为4:3）： 也就是图像传感器感光部分的大小。越大，感光单元越多，像素越高一般用英寸来表示，和电视机一样，通常描述数据指的是图像传感器的对角线长度； 如常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量，而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。

1/4inch 3.2X2.4 mm 1/3inch 4.6x3.6mm 1/2inch 6.4 x4.8mm 2/3inch 8.8x6.6mm 1 inch 12.8x9.6mm 6. 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，一般响应范围为350nm~1000nm，一些相机在靶面前面加了一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

7. 曝光： 相机快门打开后，光线通过镜头进入到机身里，对感光元件（CCD）进行感光，直到快门关闭，这一过程叫曝光。

7.1 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter） 1）线阵相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； 2）面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功能，快门速度一般可到10ms，高速相机还会更快。

7.2 曝光时间 快门打开到关闭的时间间隔，目的是将光投射到照相感光材料的感光面。

7.3 运动物体的曝光问题拖影： 拖影是在曝光的时候，拍摄目标与摄像系统之间存在相对运动形成的，因为这种 相对运动导致芯片上形成的图像一直在变化，各个部位的像元在曝光的过程中受到来自物体不同位置成像的影响，最终形成的图片是一个连续变化图像空间内图片的叠加。 物体只要是运动的，拖影就一定会有的，为了使其不对检测产生显著影响，不同的项目类型，对拖影相对长度的限制不尽相同。

运动速度和曝光时间是直接影响拖影的两个因素。为了保证图像中的拖影不超过s单位像素，则需要做到如下等价说法： 1）芯片上光学像在曝光时间内移动的位置不超过s单位像素； 2）物体与成像系统之间在曝光时间内相对移动（垂直于光轴平面内）距离不超过s单位的系统精度。 3）光像对芯片移动速度Vs与物体运动速度Vp之间关系为： 其实：光学系统中物方和像方所有的一维参数都是如上比例关系。

例如：某系统的拍摄精度是0.1mm/像素，相机曝光时间是1/2000秒，拍摄物体运动速度是10mm/s，这样目标在曝光时间内物体运动的距离是0.005mm