医疗工业相机选型

医疗工业相机选型

       新的芯片和接口技术的快速发展在很大程度上是受消费者驱使的，而且它对使用相机的医疗产品的开发影响也较大。由于市场上的芯

片和接口琳琅满目，为医疗应用选择一款正确的相机变得越来越困难。很多情况下，做出决定时必须考虑各种各样的因素，有些是特

定于应用的因素，有些则是一般因素。

      主要标准包括：

      (1)尺寸和外形

       尺寸和外形是选择相机的一个决定性因素。如果相机要用作外部图像芯片(例如用于监控操作)或显微镜相机，则设备必须安装在稳定

的外壳上。如果相机直接集成到设备中，则空间是更加重要的考虑因素，用户会更为注重其紧凑性和尺寸。此外还需考虑接口和线材

接头。侧向USB端口需要更多布线空间，而采用超柔性扁平线缆的基于LVDS的接口则可以安装在非常有限的空间内。机器视觉相机十分

坚固，可在工业环境中使用。与消费者相机不同，机器视觉相机在设计时便考虑了芯片间距、相机变形以及对视场(FOV)的相关影响等因

素。这是确保图像数据的高度稳定性和重现性的必要条件。

      (2)相机环境

      相机环境和部署场景是决策过程中需要考虑的相关因素。相机经常面临各种光线条件。机器视觉相机可使用软件调整相机设置以适应不同

的环境条件，而不是使用两个相机。对于典型的机器视觉相机软件，这意味着可以控制曝光时间、触发信号和白平衡等参数。

     (3)相机芯片、

     光学芯片是最重要的组件之一。根据要检测的对象，集成芯片必须能够从最小阈值距离外捕获全分辨率图像。相机用于诊断时，高灵

敏度芯片可实现高达2000万像素的分辨率。

     帧速率也是应用专用。如果需要捕捉允许用户交互的实时图像(例如显微镜相机)，则通常需要帧速率为25-30 fps的芯片，以实现流体图

像重现。相反，对于固定样本的检查和分析，帧速率则无关紧要。

     但是，需要考虑其他衡量标准，如芯片类型。对于大部分应用(包括眼科所用的屈光计)而言，黑白芯片是正确的选择。在其他应用中，例如记

录眼底(视网膜)的图像时，检查对象的颜色对分析过程很重要。这一点在诊断应用（例如眼科、病理学和皮肤病学应用）中尤为普遍。相机能

否提供准确的颜色还原是另一个重要因素

      在弱光(如荧光)条件下工作的应用需要量子效率高、暗噪声和读出噪声都很低的特殊芯片。此外，低噪声和大光敏面像素也是弱光条

件应用需要考虑的因素。

      与消费领域的相机相比，机器视觉相机的另一个优势是成像质量。机器视觉相机具有直接板载计算单元进行与处理。这项技术已经

经过多年的完善，可以处理占用大量CPU的操作，如去拜耳化、去噪和修正算法。在最好的情况下，计算单元使用FPGA(现场可编程门阵

列)通过其接口及时转发图像数据。

       而且，机器视觉相机的一个主要优势是参数的透明性。消费领域相机的芯片读出通常涉及黑匣子过程，其中包含大量后处理，而机器

视觉相机的开发商则可以完全控制相机设置。

       此外，极其重要的是：机器视觉相机芯片专为实现24小时运行而设计。标准相机在连续使用数小时后就开始出现故障(通常表现为图

像缺陷和丢帧)，而机器视觉相机芯片则可以多年不间断运行而不受限制。

      (4)接口、

       千兆网(GigE)是最普遍的机器视觉相机接口。GigE技术也是医疗应用中最常运用的技术，因为它与长线材和标准网络架构兼容。近年

来，USB3的即插即用功能也越来越受欢迎。机器视觉行业的制造商专门针对通过GigE和USB3端口传输图像数据建立了标准：GigE 

Vision和USB3 Vision。这些协议更加精简和稳定，可以快速传输图像数据流。

       对于体积较小的便携式设备，带宽不仅是选择接口的关键因素，同时也是图像处理环境的关键因素。例如，在立体应用中，应首选基于LVDS的接

口。这些接口可以直接集成到客户处理器板上的计算单元(如FPGA)，以迅速解决特定的计算任务 — 而不增加CPU负载。基于LVDS的接口也采

用扁平线缆。这些线材极具柔性，非常适合在狭小空间中安装设备。

       (5)镜头、

        确定了相机、光源、处理单元和算法规格后，下一步通常是对镜头要求进行分类。生产定制镜头可能需要数年时间 — 因此在开发过程

的初期选择镜头愈加重要。一些机器视觉相机制造商提供匹配镜头和相应的线材。这种“一站式购物”模式可节省时间和重要的开发

资源，同时还可以降低出现供应商问题的风险。

      (6)平台的预期使用寿命

      一个平台的预期使用寿命是选择某一制造商相机的另一个重要方面。对于手术领域的应用，尤其是眼科和医疗诊断，漫长而艰难的认

证流程(ISO、FDA)通常要求产品周期可以持续十年。因此，相机制造商组织供应商网络，确保产品可长期供货更为重要。事实上，这一标

准极为重要，因此医疗产品制造商通常会跳过技术创新环节，而偏向于生产他们有信心在较长时间内可用的产品。

       (7)定制选项。

        机器视觉相机制造商习惯于对他们的相机进行调整，以适应客户的需求。这种灵活性在医学领域尤为重要。例如，如果一个产品被认证

为医疗产品，则在相应的开发阶段该客户的固件必须固定不变，为客户提供的新款相机全部使用该固件。在许多情况下，相机还必须

能够适合标准化医疗产品外壳，其中涉及针对特定的客户对材料、标签和颜色进行调整。

      总结

      因此，机器视觉相机和制造商非常适合医疗市场：

      1. 经久耐用的相机：外壳稳定、芯片位置更精确、制作质量良好

      2. 稳定、更新的软件可调整相机以适应不同的光线/应用环境 — 使用方法高度透明(没有消费级相机模块的黑匣子方法)

      3. 有多种芯片和接口技术可供选择，加上良好的支持，可确保快速高效集成和快速投放市场

      4. 机器视觉相机提供精确、持久、可复制的图像，能够反映对象的真实颜色；消费级相机则依靠算法来改善图像质量

      5. 价格平易近人的CMOS芯片已成为CCD芯片的替代品

      6. 机器视觉相机具有专门用于图像传输的GigE Vision和USB3 Vision接口

      7. 通过LVDS等新接口技术，可将视觉系统安装在极为狭小的空间中(例如便携式设备、立体视觉)

      8. 一站式购物：可从同一供应商获得相机、镜头和线材，最大限度减少供应商问题 

      9. 机器视觉相机制造商可以在很多年内提供长期存在的软件和硬件平台

     10. 客户特定应用(颜色、标签、材料等)可作为附加服务实施