如何選擇合適的工業(yè)相機(jī)

01你需要黑白相機(jī)還是彩色相機(jī)？

一張圖像是由一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)陣列構(gòu)成的，每個(gè)像素點(diǎn)都代表著一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值稱為像素值，它的含義為像素點(diǎn)的顏色強(qiáng)度。

彩色圖像 黑白圖像

a清晰度的區(qū)別

彩色相機(jī)芯片傳感器和黑白相機(jī)芯片傳感器在結(jié)構(gòu)上沒有太大的區(qū)別，而黑白相機(jī)一般是在單色像素上加上濾色片，只允許一種顏色的光通過(guò)光感芯片，從而得到“黑白”的顏色。在彩色相機(jī)中，需要算法處理多通道的顏色分量，使得彩色圖像中像素邊緣精度丟失，所以彩色相機(jī)的的實(shí)際分辨率要比黑白相機(jī)的分辨率要低。

b靈敏度的區(qū)別

在相機(jī)芯片傳感器中每一個(gè)像素前面都有濾色片，這將導(dǎo)致像素接收的光量減少幾倍，另外，因?yàn)槿搜壑荒芸吹娇梢姽?，為了使色彩信息接近人眼的?xí)慣，一般需在感光芯片前再加一個(gè)紅外截至濾光片，又進(jìn)一步減少像素接收的光量，這些問題將導(dǎo)致彩色感光芯片的靈敏度比同類黑白感光芯片的靈敏度低很多。

綜上所述

只有在需要檢測(cè)顏色信息的場(chǎng)合，如醫(yī)學(xué)電子目鏡，彩色印刷品檢測(cè)等場(chǎng)合，才需要使用彩色相機(jī)，其他的如文字識(shí)別，尺寸測(cè)量等，一般選用黑白相機(jī)。有一些檢測(cè)場(chǎng)合不需要檢測(cè)顏色信息，但因?yàn)闄z測(cè)物體是彩色的，而且目標(biāo)和背景的灰度級(jí)接近，這時(shí)，如果使用黑白相機(jī)，則對(duì)比度不強(qiáng)烈，而使用彩色相機(jī)，可以通過(guò)設(shè)置不同的 RGB 增益，起到增強(qiáng)對(duì)比度的效果。這時(shí)，會(huì)選擇彩色相機(jī)。

02你需要多大的圖像分辨率？

在檢測(cè)區(qū)域一定的前提下，相機(jī)的分辨率越高，檢測(cè)的精度也就越高，當(dāng)然，檢測(cè)精度還和檢測(cè)算法有關(guān)系。如面積、形狀、尺寸、位置等的測(cè)量時(shí)，優(yōu)先考慮面陣相機(jī)。如被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，類似滾筒上的檢測(cè)或者需要極大的視野或極高的精度時(shí)，考慮使用線陣相機(jī)。

a面陣相機(jī)案例說(shuō)明

我們暫且假定算法的精度是一個(gè)像素，如果您的要求是這樣的：

需要檢測(cè)的某個(gè)方向的尺寸為 X。

希望檢測(cè)的精度為△X。

那么我們需要的分辨率就是： X / △X。

如，檢測(cè)一個(gè)長(zhǎng)度寸約為10mm 的工件，精度為0.01mm，則圖像寬度需要 10/0.01＝1000像素。

假設(shè)檢測(cè)一個(gè)物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測(cè)精度是0.01mm。首先假設(shè)我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機(jī)的最低分辨率應(yīng)該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬(wàn)像素的相機(jī)，也就是說(shuō)一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)檢測(cè)的缺陷的話，那么最低分辨率必須不少于120萬(wàn)像素，但市面上常見的是130萬(wàn)像素的相機(jī)，因此一般而言是選用130萬(wàn)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(wàn)乘3以上，即最低不能少于300萬(wàn)像素，通常采用300萬(wàn)像素的相機(jī)為最佳。

b線陣相機(jī)案例說(shuō)明

1.計(jì)算分辯率:幅寬除以最小檢測(cè)精度得出每行需要的像素

2.選定相機(jī):幅寬除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度。

3.每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒掃描行數(shù)。

例如如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速22000mm/s

相機(jī)：1600/1＝1600像素

最少2000像素，選定為2k相機(jī)

1600/2048＝0.8實(shí)際精度

22000mm/0.8mm＝27.5KHz

應(yīng)選定相機(jī)為2048像素28kHz相機(jī)

03你需要多高的輸出幀率？

根據(jù)要檢測(cè)的速度，選擇相機(jī)的幀率一定要大于或等于檢測(cè)速度，等于的情況就是你處理圖像的時(shí)間一定要快，一定要在相機(jī)的曝光和傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成。

a應(yīng)用場(chǎng)合舉例說(shuō)明

1.實(shí)時(shí)監(jiān)控或觀察：輸出幀率 > 25fps

2.自動(dòng)檢測(cè)：輸出幀率 > 每秒鐘檢測(cè)工件的個(gè)數(shù)

3.高速記錄和檢測(cè)場(chǎng)合需要 200 fps 甚至更高的輸出幀率

相機(jī)的幀頻一般和兩個(gè)因素有關(guān)，一是相機(jī)使用的感光芯片的輸出幀頻，而是相機(jī)能夠傳輸?shù)膸l，一般，相機(jī)選用的接口都是能將感光芯片產(chǎn)生的圖象完整的傳輸?shù)街鳈C(jī)的，但一些低成本的相機(jī)或做的不好的相機(jī)也有可能不能將感光芯片產(chǎn)生的圖象完整的傳輸?shù)街鳈C(jī)，就是通常所謂的丟幀。

b幀頻與行頻

幀頻是和分辨率相關(guān)的，因?yàn)椤皫l×分辨率＝帶寬”。比如，分辨率為1280×1024 的相機(jī)，也就是 1.25M，每秒 28 幀，則帶寬就是 35M。包括感光芯片、傳輸接口等，都有一定的帶寬瓶頸，所以，要看一款相機(jī)的幀頻是否能滿足要求，必須看是在多大分辨率下幀頻多高。

對(duì)于線陣來(lái)說(shuō)，因?yàn)橹挥幸恍?，所以，一般不叫幀頻，叫行頻。即，每秒多少行。如果認(rèn)為線陣一行就是一幀的話，這和幀頻其實(shí)是一個(gè)概念。線陣?yán)镞€有一個(gè)像素時(shí)鐘的概念。就是每秒能有多少個(gè)像素輸出。這和行頻、幀頻有大概的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如，像素時(shí)鐘是 40M，則一秒有 40M 個(gè)像素輸出，一行有 2048 個(gè)像素，則行頻就是 40M/2048＝20K。對(duì)于面陣來(lái)說(shuō)，道理是一樣的，但面陣很少提及像素時(shí)鐘這個(gè)概念。

04你需要CCD相機(jī)還是CMOS相機(jī)？

按感光芯片的結(jié)構(gòu)分，可以分為 CCD 和 CMOS 兩種。具體的又有很多種，這里我們列舉幾種比較常見的：

全幀 CCD

幀轉(zhuǎn)移 CCD

逐行掃描行間轉(zhuǎn)移 CCD

隔行掃描行間轉(zhuǎn)移 CCD

3T CMOS滾動(dòng)快門或卷簾快門

4T CMOS串行全幀快門

5T CMOS并行全幀快門

線陣 CCD

以上結(jié)構(gòu)中，在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的是逐行掃描行間轉(zhuǎn)移 CCD、隔行掃描行間轉(zhuǎn)移CCD、3T CMOS 滾動(dòng)快門或卷簾快門和 4T CMOS 串行全幀快門。

a選型原則

拍攝的物體是否運(yùn)動(dòng)，如果拍攝的物體是運(yùn)動(dòng)的，則不能選用卷簾快門的CMOS 相機(jī)和隔行掃描行間轉(zhuǎn)移CCD，可以選用全幀快門CMOS 相機(jī)，或者是行間轉(zhuǎn)移 CCD。一般，只能拍靜止物體的相機(jī)價(jià)格相對(duì)低一些，而且，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能會(huì)比較不錯(cuò)，所以，在只需要拍攝靜止物體的場(chǎng)合，選擇卷簾快門的 CMOS 相機(jī)會(huì)是不錯(cuò)的選擇。

bCCD與CMOS區(qū)別

CCD 和 CMOS 是兩種不同的成像芯片結(jié)構(gòu)，很難說(shuō)哪種更好一些。常見的芯片中，由于 CMOS 的集成度比較高，功耗小，適合在手機(jī)、QQ 攝像頭中使用，所以，CMOS 目前的發(fā)展方向是像素尺寸比較小、低成本，高性價(jià)比。這也使大家有一個(gè)感覺，就是 CMOS的價(jià)格和性能都比較低，其實(shí)這是不準(zhǔn)確的，CCD 也有低端和高端的，CMOS 也是一樣，所以，很難說(shuō) CMOS 就是比 CCD 差。這只是兩種不同的工藝。

05你需要如何設(shè)置相機(jī)最短的曝光時(shí)間？

如果您需要抓拍運(yùn)動(dòng)物體，是不是選用適合抓拍運(yùn)動(dòng)物體的相機(jī)，如轉(zhuǎn)移型 CCD，或全幀快門 CMOS 相機(jī)就可以了呢？答案是否定的，您還需要設(shè)置合適的曝光時(shí)間，因?yàn)橄鄼C(jī)在抓拍運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)會(huì)由于積分效應(yīng)不可避免的會(huì)產(chǎn)生不同程度運(yùn)動(dòng)模糊。

a應(yīng)用案例說(shuō)明

要想拍到清晰的高速運(yùn)動(dòng)物體，準(zhǔn)則就是，在曝光時(shí)間△T內(nèi)，物體成的像在感光面上移動(dòng)的距離不超過(guò)一個(gè)像素。例如：對(duì) 10mm 的物體，要求分辨精度到 10um，那么需要 1000像素的分辨率，即每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)物體的物空間長(zhǎng)度是 100um，依據(jù)準(zhǔn)則，曝光時(shí)間△T 內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的距離應(yīng)該不超過(guò) 100um，假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)的物體為 V=5m/s，那么有：

V×Texp < 100um；?

Texp < 20us ；?

一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算曝光時(shí)間的公式是：

Texp < 視野寬度/（圖像寬度×物體該方向移動(dòng)速度）?

或 Texp < 視野高度/（圖像高度×物體該方向移動(dòng)速度）

不過(guò)，曝光時(shí)間太短，如果相機(jī)的靈敏度不是很高，圖象就會(huì)太暗。不過(guò)在工業(yè)檢測(cè)場(chǎng)但是，有些場(chǎng)合，比如，交通上的高速道路抓拍，因?yàn)闊o(wú)法加光源，而車的運(yùn)動(dòng)速度又比較快，所以，這時(shí)就需要對(duì)相機(jī)的靈敏度提出很高的要求了。

編輯：jq