工業相機是一種非常重要的機器視覺器件，它能夠將被采集的圖像信息通過電路轉換成電信號，再通過模數轉換器（ADC）將其轉化為數字信號，最后以標準的視頻信號輸出。工業相機在機器視覺領域得到了廣泛應用，包括質量控制、工業檢測、醫療診斷、安全監控以及交通管理等諸多領域。

機器視覺是通過光學裝置和非接觸傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。簡單來說，機器視覺是用機器代替人眼來做測量和判斷，它依賴于一系列設備和技術，其中工業相機是核心組件之一。

一、定義及原理

工業相機，也被稱為攝像機，是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。機器視覺系統通過圖像攝取裝置（即工業相機）將被攝目標轉化為圖像信號，這些信號被傳送到專用的圖像處理系統。系統根據像素分布、亮度、顏色等信息，將這些信號轉化為數字化信號，并進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

二、分類

1. 按照芯片結構分類：CCD相機 & CMOS相機。

2. 按照傳感器結構分：面陣相機 & 線陣相機。

3. 按照輸出模式分類：模擬相機 & 數字相機。

4. 按照輸出色彩分：彩色相機&黑白相機。

工業相機主要基于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導體）芯片。CCD是目前機器視覺中最常用的圖像傳感器，它集光電轉換、電荷存貯、電荷轉移和信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CMOS圖像傳感器則將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上。兩者在性能和應用方面各有優勢：

CMOS相機適用于高速和低功耗應用，成本較低。

CCD相機適用于要求高圖像質量和低噪音的應用，成本較高。

面陣相機是每次采集若干行的圖像并以幀方式輸出。其應用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。面陣相機的優點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數多，而每行的像元數一般較線陣少，幀速度受到限制。

線陣工業相機，顧名思義是成像傳感器呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極寬，幾千個像素的寬度，而高度卻只有幾個像素的而已。線陣工業相機具有高掃描頻率和高分辨率。其典型應用領域是檢測連續的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動, 利用一臺或多臺工業相機對其逐行連續掃描，以達到對其整個表面均勻檢測。可以對圖像逐行進行處理，或者對由多行組成的面陣圖像進行處理。另外線陣工業相機非常適合測量場合，這要歸功于傳感器的高分辨率。一般在兩種情況下使用這種相機：

1. 被測視野為細長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

2. 需要極大的視野或極高的精度。

數字工業相機和模擬工業相機只在輸出信號上有區別。

模擬工業相機輸出的是模擬信號，數字工業相機輸出的是數字信號。模擬工業相機的A/D 轉換是在工業相機之外進行的，數字工業相機的A/D 轉換是在工業相機內部完成的。

標準的模擬相機分辨率很低，幀率固定。模擬相機必須搭配具有A/D轉換功能的模擬采集卡，經過模擬采集卡轉換為數字信號進行存儲或者處理。模擬信號可能會由于工廠內其他設備（比如電動機或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真，隨著噪聲水平的提高模擬相機的動態范圍（原始信號與噪聲之比）會降低。動態范圍決定了有多少信息能從相機傳輸給計算機。數字相機輸出的是數字信號，數字信號不受電噪聲影響，因此數字相機的動態范圍更高，能夠向計算機傳輸更精確的信號。

黑白工業相機直接將光強信號轉換成圖像灰度值，生成的是單色灰度圖像。彩色工業相機能獲取景物中紅、綠、藍三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機能夠提供比黑白相機更多的色彩信息。

三、常用參數

1.分辨率：指相機能夠捕捉圖像的像素數量，它影響著圖像的細節程度和測量精度。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如：1920（H）x 1080（V），前面的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元；后面的數字表示像元的行數，即1080 行。線陣相機的分辨率通常表示多少K，如1K（1024），2K（2048），4K（4096）等。選擇時需要根據測量對象的特征和測量精度要求來計算所需的像素數量。

2. 幀率：表示相機每秒捕獲的圖像數量（FPS），即相機采集和傳輸圖像的速度。通常面陣相機用幀頻表示，單位fps（Frame Per Second）。如30fps，表示相機1秒鐘內最多能采集30幀圖像。線陣相機通常用行頻表示，單位KHz，如12KHz，表示相機1秒鐘內最多能采集12000行圖像數據。高幀率相機適用于快速運動物體的捕捉和分析。

3.像素深度：數字相機輸出的數字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數，稱為像元深度。對于黑白相機，這個值通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數。例如，對于8bit的相機0 代表全暗而255 代表全亮。決定了圖像的色彩范圍和灰度級別。高像素深度相機能提供更豐富的色彩和更精細的灰度變化。

4.像元尺寸：像元的尺寸是每個像素的面積，也就是像元大小。像元尺寸大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。

5.精度：檢測的精準度，每個像素代表的實際物理尺寸。精度=單方向市場大小/相機單方向分辨率。

6.噪聲：感光器件（CMOS/CCD）接收光線信號并輸出的過程中所產生的圖像中的粗糙部分。工業相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的、實際成像目標外的信號。

7.信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）。

8.數據接口：在機器視覺檢測技術中，當前工業相機的數據接口主要有GigE、USB3.0、CoaXPress、Cameralink、HSLink、10GigE，還有退居二線的IEEE 1394、USB2.0、LVDS、RS422、SDI等。 1）GigE：帶寬可達到1000 Mbps，不需中繼器最遠可傳輸100米。 2）Cameralink：支持速率達2.3Gb/s。 3）USB3.0：最大信號傳輸速率可達5 Gbits/s。實際傳輸速率可達到 +350MB/s。 4）CoaXPress：一種非對稱的高速串行通信數字標準，一根電纜最高傳輸率可達 6.25Gb/s，傳輸距離可達100米。 5）HSLink：最大帶寬可達6000MB/s，支持即插即用。 6）10GigE：俗稱萬兆網，帶寬可達到10000 Mbps，最遠可傳輸100米。

9.動態范圍：動態范圍表明相機探測光信號的范圍。對于固定相機，其動態范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應曲線上，相機的動態范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值，即動態范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號動態范圍，可用倍數、dB 或Bit 等方式來表示。動態范圍大，相機對不同的光照強度有更強的適應能力。

10.光譜響應性：工業相機的光譜響應特性是指該感光芯片對不同光波的敏感特性，一般響應范圍是350nm－1000nm，一些相機在感光芯片前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

11.快門方式：工業相機有全局快門和卷簾快門。

12.全局快門與卷簾快門的優缺點： ①全局快門的優點是所有的像素點同時曝光，其缺點是曝光時間存在物理極限； ②卷簾快門的優點是具有更小的曝光時間，其缺點是由于是逐行而不是同時曝光取像，如果圖像是運動的，則存在明顯的拖影，因此不適合拍攝運動的物體。 曝光時間短的應用（如<500μs）適合使用全局快門，而曝光時間長的應用，選擇卷簾快門可以有更低的噪聲和幀速。在實際應用中，一般只要是拍攝運動物體，都使用全局快門，只有在拍攝靜止物體時，才使用滾動快門。CCD和CMOS相機都可配備全局快門。

四、選型要點

工業相機選型時要注意以下幾點：

1. 分辨率的選擇。首先根據目標物體的精度要求選擇分辨率。其次看工業相機的輸出，若是用機器軟件分析識別，分辨率越高越有幫助；若是需要視頻輸出至顯示器上觀察，則依賴于顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；若是需要將圖像實時保存下來，還需要綜合服務器的存儲速率來考慮工業相機的分辨率。

2. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C 或CS 安裝座也要匹配（或者增加轉接口）；

3. 相機幀數選擇。當被測物體處于運動狀態時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。

系統單次運行速度 = 系統成像（包括傳輸）速度 + 系統檢測速度

雖然系統成像（包括傳輸）速度可以根據工業相機異步觸發功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是通過軟件進行實際測試。

如何選擇線陣相機？

1. 計算分辨率：幅寬除以檢測精度得出每行需要的像素。

2. 檢測精度：幅寬除以像素得出實際檢測精度。

3. 掃描行數：每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數。

根據以上計算結果選擇線陣相機舉例如下：

如幅寬為1600mm、精度1mm、運動速度22000mm/s

1600/1＝1600 像素 最少2000像素，選定為2k 相機

1600/2048＝0.8 實際精度

22000mm/0.8mm＝27.5KHz

應選定相機為2048 像素28kHz 相機。

選擇工業相機時，物體成像的速度必須考慮好。對于靜止或移動緩慢的物體，面陣工業相機最適合。在面陣相機曝光時任何的移動會導致圖像模糊，此時可通過減小曝光時間或使用閃光燈來解決圖像模糊的問題。對于快速移動的物體，保證相機曝光時目標物體的位移小于一個像素所代表的的拍攝精度，即可解決圖像模糊的問題。例如，目標物以1cm/s的速度勻速移動，拍攝精度為1mm/pixel，那么可以設置的相機最大曝光時間是0.1秒。

五、工業相機保存方法

1. 盡量避免將工業相機直接指向陽光，以免損害攝像頭的圖像感應器件；

2. 避免將工業相機和油、蒸汽、水汽、濕氣和灰塵等物質接觸，避免和水直接接觸；

3. 不要使用刺激的清潔劑或者有機溶劑擦拭工業相機；

4. 不要拉扯和扭轉連接線；

5. 非必要情況下，自己不要隨意拆卸相機，試圖碰觸其內部零件，這容易對相機造成損傷，人為損傷經銷商是不保修的；

6. 存儲時，應當將相機存放到干凈、干燥的地方。

六、配套軟件

不同品牌的工業相機匹配的軟件不一樣， 機器視覺產品資料查詢平臺收錄眾多工業相機、工業鏡頭等視覺器件。可以直接在該平臺輸入相機型號，即可查看相關型號資料及軟件。

七、應用領域

工業相機廣泛用于各種應用領域，包括自動化生產線上的質量控制、機器視覺系統、醫療成像、物流和倉儲、安全監控、交通監控和航空等。它們在這些領域中用于實時監測、數據收集、圖像處理和自動決策，有助于提高生產效率、降低成本和提高質量。

八、發展趨勢

技術創新：隨著人工智能和深度學習技術的發展，工業相機將具備更強大的圖像處理和分析能力，實現更高級別的自動化和智能化。

集成化與模塊化：未來的工業相機將更加集成化和模塊化，方便用戶根據實際需求進行靈活配置和擴展。

高性價比：隨著技術的不斷進步和市場競爭的加劇，工業相機的性價比將不斷提高，為更多行業和應用領域提供優質的視覺解決方案。

綜上所述，工業相機作為機器視覺系統的核心組件之一，在自動化、智能化和數字化轉型中發揮著至關重要的作用。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，工業相機將迎來更加廣闊的發展前景。

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