工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件， 其本質(zhì)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的獲取，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)量等領(lǐng)域。其成像原理與小孔成像類似，但更為復(fù)雜。當(dāng)被攝物體反射的光線通過(guò)工業(yè)鏡頭折射后，會(huì)投射到相機(jī)的感光傳感器上，這個(gè)感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。

1、工作原理

圖像采集：通過(guò)鏡頭收集被拍攝物體反射或透射的光線，將其聚焦在圖像傳感器上。

光電轉(zhuǎn)換：圖像傳感器（常見的有 CCD 和 CMOS）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。以 CMOS 傳感器為例，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)感光二極管，光線照射時(shí)產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電荷，進(jìn)而被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

信號(hào)處理：轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，傳輸給計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行后續(xù)分析。

2、工業(yè)相機(jī)的主要特點(diǎn)

高可靠性：工業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，能夠在高溫、高濕、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

高性能：提供高分辨率、高幀率、高動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度，滿足精密檢測(cè)和高速捕捉的需求。

模塊化設(shè)計(jì)：工業(yè)相機(jī)通常采用模塊化設(shè)計(jì)，便于集成到各種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)中。

豐富的接口：支持多種接口類型（如GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPress等），滿足不同帶寬和距離的需求。

靈活的配置：支持多種觸發(fā)模式、曝光控制和圖像處理功能，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

3、分類方式

按圖像傳感器類型：分為 CCD 相機(jī)和 CMOS 相機(jī)。CCD 相機(jī)成像質(zhì)量高，噪聲低，在低光照環(huán)境下表現(xiàn)出色，但成本較高、功耗大；CMOS 相機(jī)成本低、功耗低、數(shù)據(jù)讀取速度快，不過(guò)圖像質(zhì)量相對(duì)略遜一籌。

按輸出色彩：可分為彩色相機(jī)和黑白（單色）相機(jī)。彩色相機(jī)能獲取物體豐富的色彩信息，適用于對(duì)顏色有要求的檢測(cè)，如食品外觀檢測(cè)、印刷品色彩檢測(cè)等；黑白相機(jī)則對(duì)光線更敏感，在檢測(cè)物體的灰度差異、紋理細(xì)節(jié)方面表現(xiàn)較好，常用于對(duì)精度要求高的尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等場(chǎng)景。

按掃描方式：有面陣相機(jī)和線陣相機(jī)。面陣相機(jī)一次獲取一幀完整圖像，適用于靜態(tài)物體或運(yùn)動(dòng)速度較慢的物體檢測(cè)；線陣相機(jī)每次獲取一行圖像，通過(guò)物體與相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)構(gòu)建完整圖像，常用于高速運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)和高精度的一維測(cè)量，如印刷品的在線檢測(cè)、金屬板材的表面檢測(cè)等。

按輸出信號(hào)方式分：模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)。

按響應(yīng)頻率范圍分：可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

4、主要參數(shù)計(jì)算

（1）分辨率（Resolution）

定義：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，由相機(jī)所采用的感光芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量（即像素?cái)?shù)）。

影響：在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。

表示方法：通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如1920（H）x1080（V），前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)。線陣相機(jī)的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

總像素?cái)?shù) = 水平像素?cái)?shù) × 垂直像素?cái)?shù)

例如：1920×1080 = 2,073,600 像素（約200萬(wàn)像素）

（2）像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般用多少比特位表示。

影響：像素深度決定了圖像灰階的豐富程度。比特位數(shù)越多，表達(dá)圖像細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)，灰階值更加豐富、分得更細(xì)。但數(shù)據(jù)量也越大，可能影響系統(tǒng)的圖像處理速度。

常見值：一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對(duì)于面陣工業(yè)相機(jī)來(lái)說(shuō)的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集181幀圖像。行頻是相對(duì)于線陣工業(yè)相機(jī)來(lái)說(shuō)的，單位是kHz，如80kHz，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集80000行圖像數(shù)據(jù)。

影響：幀率/行頻越高，相機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采集的圖像數(shù)量越多，適用于需要快速捕捉動(dòng)態(tài)圖像的場(chǎng)景。

計(jì)算方法：幀率=3×目標(biāo)速度/橫向視野；行頻=運(yùn)動(dòng)速度/實(shí)際精度=運(yùn)動(dòng)速度×分辨率/視野。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景中物體運(yùn)動(dòng)速度來(lái)確定所需幀率。假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)速度為V（單位：mm/s），相機(jī)曝光時(shí)間為T（單位：s），在曝光時(shí)間內(nèi)物體移動(dòng)的距離不能超過(guò)一個(gè)像素尺寸P（單位：mm），則幀率F可由下式計(jì)算：F=1/T，其中T≤P/V。

（4） 曝光方式和快門速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：對(duì)于線陣相機(jī)，通常是逐行曝光的方式；面陣相機(jī)則有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。快門速度越快，相機(jī)捕捉圖像的能力越強(qiáng)，適用于光線變化快或運(yùn)動(dòng)物體拍攝的場(chǎng)景。

（5）像元尺寸（Pixel Size）

定義：像元是組成數(shù)字化影像的最小單元，像元尺寸大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。

常見值：工業(yè)相機(jī)像元尺寸一般為3μm~14μm。

影響：像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多，圖像質(zhì)量可能越高。但像元尺寸越小，制造難度越大。

計(jì)算：與分辨率和相機(jī)傳感器尺寸相關(guān)。例如已知傳感器的尺寸為Sa×Sb（水平尺寸 × 垂直尺寸，單位為 mm），相機(jī)分辨率為Na×Nb，則像素尺寸P（假設(shè)像素為正方形）為：P=Sa×1000/Na=Sb×1000/Nb。

（6）光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）

定義：指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性。

常見范圍：一般響應(yīng)范圍是350nm~1000nm。一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線。如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光，可去掉該濾鏡。

（7）接口類型（Interface Type）

常見類型：有Camera Link接口、以太網(wǎng)接口、1394接口、USB接口輸出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影響：接口類型決定了相機(jī)與圖像處理系統(tǒng)或其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。選擇合適的接口類型可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度。

（8）傳感器尺寸

定義：相機(jī)傳感器的物理尺寸，通常以英寸（如1/2.3"）或毫米（如12.8mm×9.6mm）表示。

計(jì)算方法：

傳感器尺寸通常由制造商提供，但可以通過(guò)像素尺寸和分辨率推算：

傳感器寬度 = 水平像素?cái)?shù) × 像素尺寸

傳感器高度 = 垂直像素?cái)?shù) × 像素尺寸

（9）其他參數(shù)

動(dòng)態(tài)范圍：描述每個(gè)像素能夠分辨出的灰度等級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍能夠使場(chǎng)景中亮場(chǎng)和暗場(chǎng)部分的細(xì)節(jié)同時(shí)被清晰的記錄下來(lái)。

噪聲：成像過(guò)程中不希望被采集到的、實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。根據(jù)歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)（EMVA）的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)噪聲總體上分為由有效信號(hào)帶來(lái)的散粒噪聲和相機(jī)本身固有的與信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲兩類。

5、應(yīng)用領(lǐng)域與優(yōu)勢(shì)

工業(yè)相機(jī)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制、機(jī)器視覺系統(tǒng)、醫(yī)療成像、物流和倉(cāng)儲(chǔ)、安全監(jiān)控、交通監(jiān)控以及軍事和航空等領(lǐng)域。其優(yōu)勢(shì)包括：

高性能與穩(wěn)定性：工業(yè)相機(jī)具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力，能夠在惡劣條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

高精度與測(cè)量能力：通過(guò)高分辨率的圖像捕捉和精確的圖像分析算法，工業(yè)相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測(cè)量和定位。

高速捕捉能力：高幀率的工業(yè)相機(jī)能夠快速捕捉動(dòng)態(tài)圖像，適用于高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝和監(jiān)測(cè)。

廣泛的適應(yīng)性：不同類型的工業(yè)相機(jī)適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，能夠滿足各種復(fù)雜的拍攝和分析任務(wù)。

6、知名品牌

國(guó)內(nèi)外知名的工業(yè)相機(jī)品牌包括康耐視（Cognex）、基恩士（Keyence）、加拿大Teledyne DALSA、FLIR、Lumennera、日本AVALDATA、韓國(guó)VIEWORKS、大恒圖像、海康等。這些品牌以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而備受矚目。

綜上所述，工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，在工業(yè)自動(dòng)化和智能化方面發(fā)揮著重要作用。通過(guò)選擇合適的工業(yè)相機(jī)并結(jié)合先進(jìn)的圖像分析算法，可以實(shí)現(xiàn)更高效、精確和可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)和質(zhì)量控制。