如何对机器视觉工业相机做出正确的选型

如何对机器视觉工业相机做出正确的选型

技术进步带来了新的、高质量的传感器，使机器视觉摄像机能够以比以往任何时候都更低的成本提供更大的功能和功能。这些因素正在推动更多行业和规模的企业追求这些新的、改进的和更实惠的相机。然而，无论在哪个行业，在寻求远景解决方案时，都有许多因素需要考虑。

线扫描还是面扫描？

如果对于检测精度要求很高，运动速度很快，面阵相机的分辨率和帧率达不到要求的情况下，当然线阵相机是必然的选择。

制造商需要的相机类型，无论是线扫描相机还是面扫描相机，都将取决于应用程序。大多数人都了解区域扫描相机背后的技术，该技术类似于高分辨率数码相机。区域扫描相机可生成具有水平和垂直元素的2D图像。

区域扫描相机用于检查离散的组件，例如药品瓶或汽水罐。

线扫描相机更难理解。线扫描相机只看一条线，然后通过相对于相机移动对象同时不断抓取一线切片来构建2D图像。如果物体不能包含在实际尺寸的视野中，请考虑使用线扫描相机。线扫描相机最典型的用途是用于涉及“网”检查的应用，例如大卷纸，织物，铝，钢或玻璃板。

如果应用程序要检查50,000英尺的纸卷，则不可能通过区域扫描相机单次执行此操作。线扫描相机可在此类应用中使用，因为诸如纸卷之类的物体已经作为正常制造过程的一部分移动了。线扫描相机将纸卷中的线编译为多个2D图像。如果每个图像的高度为1,000线，则相机会将1000线捕获为一个2D图像，然后为下一个图像拾取1,001到2,000的线，依此类推。相机将50,000英尺的纸张卷成2D图像，但是在此过程中没有任何损失。

线扫描相机用于检查“卷筒纸”

许多机器视觉应用程序的默认选择是区域扫描相机。如果应用程序涉及检查铝罐，玻璃瓶或分立组件，则这可能是正确的选择。在区域扫描相机没有意义的情况下，例如在需要比区域相机提供的分辨率更高的分辨率或在正常视场中无法捕获物体的情况下，将使用行扫描相机。

黑白相机还是彩色相机？

黑白的同样分辨率的相机，精度比彩色高，尤其是在看图像边缘的时候，黑白的效果更好。特别是做图像处理，黑白工业相机得到的是灰度信息，可直接处理。

要想得到与现实吻合度高的色彩，需要后期处理，比如监控相机。

分辨率要求

在选择机器视觉相机的过程中，分辨率是关键考虑因素。计算分辨率需要知道视野的大小和需要解决的最小特征。术语“特征”通常是指产品中的缺陷或物体上很小的元素。该功能可能是应该存在的东西，例如印刷电路板上的小孔，或者可能是不应该存在的东西，例如铝板上的划痕。在这些情况下，需要检测该功能是什么，无论它是缺陷还是要存在的缺陷。

对于许多人来说，考虑到要检测的特征有多小，膝盖的反应是要获得一台能够检测“一切”的摄像机。这种方法并不总是现实或必要的。分辨率是驱动相机成本的主要因素之一。重要的是获得所需的尽可能多的分辨率，但不要过度使用它。通常，经验法则是这样的：为了能够准确地检测到特定大小的特征，请在覆盖该区域的至少三个像素上进行规划。并非总是能够通过解释单个像素来检测特征。整个功能上的几个像素可以确保它不是像差。例如，要检测小至1/100英寸的特征，请选择比其小三倍的像素大小，即3/1000英寸。

分辨率越高，识别功能就越容易，但是现在是时候权衡系统成本和所需分辨率的时间了。提交之前，请进行一些测试。从制造商处借用相机，或使用高分辨率摄影相机来了解需要多少分辨率才能看到需要观看的内容。

根据目标的要求精度及视野范围，反推出相机的像素精度。相机单方向分辨率=单方向视野范围÷理论精度。

例如对于视野大小为10*10mm的场合，要求精度为0.02mm/pixel,则当方向上分辨率=10/0.02=500.然而考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，一般不会只用一个像素单位对应一个测量精度值，一般选择倍数为2或者更高，这样相机单方向分辨率为1000，相机的分辨率=1000*1000=100万，所以选用100万像素的相机即可满足。

同时需要考虑算力，分辨率太大，帧率太高，cpu撑不住。

成像率

如果应用程序是要检查离散的组件（例如罐，瓶或活塞），那么每秒必须检查多少个这些组件？在给定的时间段内，有多少组件将移动经过空间中的单个点？是每秒三张吗？每分钟五十？相机至少需要以该速率采集。最好有一点额外的余量。如果应用程序要求以25 fps捕获的摄像机，请选择以30 fps捕获的摄像机。这将给错误提供一些空间。

线扫描相机需要更多的数学运算才能确定合适的采集速率，但这并不困难。确定分辨率后，请确定对象移动的速度，然后确定一秒钟需要抓取多少行才能获得必要的分辨率。如果需要3/1000英寸的像素分辨率，并且对象以每秒100英寸的速度移动，则这将要求线扫描相机的最低速度为每秒33,333行或33.3 kHz的线速。

互连标准

有不同的互连标准可供选择，并且该选择基于两个要求：速度和相机与计算机之间的距离。如果优先考虑速度，则找到速度足够快的互连，以所需的速率将数据从相机传输到主机。一些较高的速度标准是Camera Link，Camera Link HS和USB3 Vision。Camera Link HS是可用的最快速度的互连之一，但它需要一个图像采集卡。就速度而言，USB3 Vision的速度不如Camera Link HS。但是，USB连接通常直接内置在计算机中，因此它不需要帧采集器或其他硬件来获取数据。

有些人之所以选择GigE Vision，是因为它基于千兆位以太网规范，并且可以在相机和计算机之间走很长一段距离。如果相机距离计算机很远（超过10到15 m），则GigE Vision是一个不错的选择。GigE Vision的速度比Camera Link和USB3 Vision标准慢，但如果照相机距离计算机较远，它可能是唯一的选择。

对于需要GigE Vision距离的应用，制造商正在努力减少或消除这种速度障碍。一些制造商已经找到了通过使用类似于压缩的方法来更有效地传输数据的方法，以提高GigE Vision的有效速率，同时保持相机和计算机之间的长距离优势。如果应用程序需要GigE Vision，请确保与制造商联系，以了解他们所提供的可以提高效率的产品。如今，5 GigE和10 GigE连接速度已越来越广泛地用作摄像机接口的选择。顾名思义，5 GigE和10 GigE分别是GigE速度的5倍和10倍，甚至5 GigE都提供了比USB3更大的带宽。

接口一般还承担供电功能，USB可承担供电，千兆网可以poe供电。

光波长

光波长并不是每个应用都需要关注的问题。但是，某些应用程序将要求照相机对某些波长的光敏感。例如，在进行货币检查时，可能会有一些仅在UV或红外光下可见的安全功能。在这种情况下，请确保摄像机在该波长下具有足够的感光度以执行成功的检查。还需要具有相应波长特性的光源，以允许照相机可视化所讨论的特征。对于大多数应用，使用白光或宽带光，任何标准相机都足够。如果检查涉及任何特殊照明，请确保相机选择适合所需的光波长。

在某些情况下，例如对于货币的安全性功能，紫外线或红外光被用作检查过程的一部分。在这种情况下，相机需要对所需的光波长敏感。

像素深度

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。例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M（1024Byte=1KB，1024KB=1M）。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）。

针对高速运动目标选型要点

经常会有项目需要抓拍高速运动物体，而普通工业相机拍摄的图像会出现拉毛、模糊、变形等影响图像质量的问题，在拍摄图像时，图像模糊现象的出现取决于曝光时间的长短与物体的运动速度。如果曝光时间过长，物体运动速度过快则会出现图像模糊。

拍摄物体为运动物体应选择全局快门（Global shutter)的工业相机，且需要选择帧率大于运动速度的工业相机。

（1）     快门时间

要满足物体运动速度Vp*快门时间Ts<允许最长拖影S。运动速度比较快的物体拍照，为了防止长的拖影就需要极短的曝光时间，选用感光比较好的工业相机，可以实现。

（2）     最大帧率

帧率即相机每秒钟可以捕捉的图像数量，一般决定于图像大小、曝光时间等，是相机的一个重要指标。相机帧率必须保证能够拍摄到系统要求时间间隔最短的两张图片，处理图像的时间一定要快，一定要在相机的曝光和传输的时间内完成，否则就有可能造成丢帧等现象，进而漏检某些产品。

CCD感光芯片还是CMOS

目前市场上既有CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)图像芯片，也有CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像芯片。它们的任务是将光信号(光子)转换成电信号(电子)。然而，两种芯片类型在传输这一信息时采用了不同的方法和手段，其各自的设计也是完全不同的。

CCD芯片设计

在CCD芯片中，光敏像素的电荷发生移位并被转化为信号。像素电荷产生于对半导体的曝光，在许多非常小的移位操作(垂直和水平移位寄存器)的支持下(类似于“斗链”)，被传输到中央模拟/数字转换器。由芯片中的电极所产生的电场推动电荷的传输。

CCD芯片中的电荷传输需要大量的时间。对于高分辨率芯片，这是一个明显的劣势：因为像素数众多，电荷必须由许多移位操作送入中央放大器。这严重限制了最大帧速率。

CMOS芯片设计

在CMOS芯片中，并行于每个像素放置了存储电荷的电容。当每个像素曝光时，这个电容器被光电电流充电。电容器中产生的电压与亮度和曝光时间成正比。不同于CCD芯片，因芯片曝光而由电容捕获的电子不会移位到单个输出放大器，而是会通过每个像素自己的关联电子电路直接转化为可测量的电压。然后，这个电压可用于模拟信号处理器。通过使用额外的电子电路，每个像素都可以被定位，而无需CCD中的电荷移位。由此，对图像信息的选择速度远远高于CCD芯片，且光晕和拖尾等因过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多，也可能根本不会发生。 其缺点是每个像素的电子电路所需的额外空间不会作

为光敏区域提供。由此，芯片表面上的光敏区域部分(定义为填充因子)小于CCD芯片。因此，从理论上讲，可以收集的图像信息光子数会有所减少。然而，我们有方法削减这一劣势。

CMOS芯片有更高的满井容量(也称饱和容量)，它定义了每像素的最大电子数。在很多情况下，该参数受到较低饱和阈值的人为限制。

所以尽管CCD芯片提供了更好的灵敏度阈值，但CMOS芯片通过其优越的饱和容量，在动态性能方面不仅弥补了自己的劣势，而且超越了前者。这样，CMOS与CCD芯片的动态水平表现几乎持平。

尽管CMOS芯片代表比CCD芯片更新的技术，但在现阶段它们本身已是技术成熟的产品，并且对于许多应用而言，它们实际上是更好的选择。

CCD和CMOS像素的不同读出行为：

CCD芯片(左)和CMOS芯片(右)的设计。在CCD芯片中，电荷是逐像素进行进一步的移位。而CMOS芯片与此相反：它每个像素的电荷是直接转换为电压和读数，这使得CMOS芯片的速度明显更快。

如上所述，CMOS芯片技术近年来已取得巨大进步，在多方面已超越CCD。凭借高速度(帧速率)、高分辨率(像素数)、低功耗以及最新改良的噪声指数和量子效率等各方面优势，CMOS芯片逐渐在由CCD芯片主导的领域里取得了一席之地。

CMOS如今已具有很多优势：

„ 高速成像(帧速率)

得益于其体系结构，CMOS芯片能实现更高的帧速率。将改进的灵敏度与来自CMOSIS、Sony和ON Semiconductor的最新全局快门技术相结合，这类芯片现在可以拍摄非常快速的图像序列。这反过来可以提高您的应用的性能，比如每秒检查更多的部件。

例如：

显微镜样品无缝筛查

针对实验室自动化应用快速聚焦

„ 高分辨率(像素数)

由于其体系结构，即使在非常高的分辨率下，CMOS芯片也能提供非常高的帧速率，因此高分辨率芯片主要基于这种技术生产。

适用于自动化试样扫描的足够分辨率

根据显微镜领域百万像素的发展趋势，对高分辨率的需求在不断增加

„ 超强动态范围

满井容量(也称饱和容量)是每像素的最大电子数。满井容量与灵敏度阈值的比值表示芯片可以覆盖的动态范围。所以尽管CCD芯片提供了更好的灵敏度阈值，但CMOS芯片通过其优越的饱和容量，在动态范围方面不仅弥补了自己的劣势，而且超越了前者。这样，CMOS与CCD芯片的动态水平表现几乎持平。Sony IMX174芯片就是一个很好的例子：与所有可比CCD芯片相比，它提供的动态范围都更优越。

显微镜相机的强大重现性能

低功耗

低发热和低功耗，非常适合小型或移动医疗设备

USB 3.0等数据连接还可以为整个相机供电；简化了系统设置，从而削减成本

改良的噪声性能

通过CMOS芯片降低了功耗，发热少，大大减少了信号噪声。

经验法则：温度每上升8°C，信号噪声增加一倍。

„  

改良的量子效率

几年前说CCD芯片在弱光的情况下有更好的性能可能是合理的(尽管CMOS芯片在亮光情况下略微领先)，但CMOS芯片的成像质量得到了大幅改善，它们现在已经很好地适应了弱光的情况。

适合荧光应用

„

出众的性价比

削减了医疗设备和系统的成本

得益于CMOS技术目前的主要属性，从长远来看此芯片技术应该会占据优势。

光学放大倍数

放大率F = 像元尺寸/精度 （或芯片尺寸除以视野范围）。

相机选择了之后，像元尺寸也就确定了。像元尺寸指传感器上一个物理像元的尺寸，目前工业数字相机像元尺寸一般位3μm~10μm，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。

焦距

焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离（注意！，相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离）。焦距的大小决定着视角的大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大;焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

根据工作距离计算焦距，如图所示。所谓的工作距离，是指当图像在焦距范围内的时候，物体和照相机镜头前端的距离。它限制了视觉系统以及和视觉系统一起工作的设备所需要的空间。在极限范围内，通过镜头重新对焦，可以改变工作距离。无限共轭镜头的对焦距离可以从最小工作距离一直到无限远，有限共轭镜头则有一个特定工作距离范围。

景深

景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。光圈越大，景深越小;光圈越小、景深越大。焦距越长，景深越小;焦距越短，景深越大。距离拍摄体越近时，景深越小;距离拍摄体越远时，景深越大。

环境

许多视觉系统安装在非常热的场所。相机由敏感的电子设备组成，并会受到温度的影响。每个相机制造商都会为其产品提供工作温度规格。通常，如果环境超出这些规格，并不表示相机将无法运行。相反，这意味着当超出这些规格的范围时，相机的性能可能会降低。在炎热的环境中降低性能的最常见方法是相机会变得“嘈杂”，这意味着图像中会有意想不到的亮度变化。另外，超出温度规格通常会对相机的使用寿命产生负面影响。

为了使摄像机保持在其工作温度规格范围内，许多制造商都采用了散热方法。因此，在考虑购买哪台相机时，请务必评估操作环境温度，研究相机的操作规格，并讨论制造商在必要时可以提供的选择，以保持相机正常工作。

视场角

这里要注意，选择镜头的时候，还要注意视场角，（假设视场大小为2Ax2B）

水平视场角=2*arctg(A/C)

垂直视场角=2*arctg(B/C)

可使用广角镜头，但镜头畸变率随之升高，消除桶形畸变后，视野可能并没有变大多少

光圈

用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有最大F值，例如　8mm　/F1.4代表最大孔径为　5.7毫米　。F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

远心镜头

远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。远心镜头与传统镜头对比，如图：

传统和远心镜头的视场对比。请注意传统镜头的视场角和远心镜头的零视场角。

固定焦距镜头的视场角可转化为图像中的视差，导致两个立方体显示为不同大小。

M 12镜头

M12镜头可与工业相机配合，从而更加便携。和CCS口间需要转接圈

滤光片

在户外场景下，镜头前可安装红外线滤光片，以适应车辆突然出隧道情况，缓解太阳光直射

靶面直径=相机像元尺寸x相机的水平或者垂直的像素数，（所以镜头的尺寸必须大于这个数值，要不然在传感器上成的像就不全）

品牌国产与进口

国内比较早的是大恒、凌云，其他：上海方诚、陕西维视、海康 等。

国外：以德国与日本为主。basler,AVT,JAI等。PG（灰点）在中国的市场缩水

还有在国内市场不多的Smartek，Optronis（高速相机），TheImagingSource 德国映美精TELI 日本东芝泰力 、Sentech 日本先特客、Hitachi 日本日立、SONY 日本索尼 

光谱响应特性

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。

工业相机噪声

噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标之外的信号。总体上分为两类，一类是由有效信号带来的散粒噪声，这种噪声对任何相机都存在；另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声，每台相机的固有噪声都不一样。

信噪比

相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

相机定制

如果计划随着时间的推移购买大量相机，则制造商可能愿意提供一些定制服务。如果工厂中的一条或两条生产线仅需要一个或两个视觉系统，则购买选项可能仅限于具有现成功能的摄像机。但是，如果几年来每年需要1,000个视觉系统，则某些制造商将提供高度的定制。在这种情况下，可能会删除昂贵且不必要的功能-或添加标准产品中未包含的功能。如果长期计划包括购买大量相机，则值得一提的是，向制造商看看是否可以协商这些选项中的任何一个。

预算

就像分辨率和速度一样，成本是您决定购买的关键因素。如果此时已决定购买和安装视觉系统，则可能已经确定了该技术的成本效益和投资回报（ROI）预测。这些评估将决定摄像机的预算。

就像考虑分辨率时一样，成本将决定视觉系统可以实现的目标。虽然对产品进行原子级检查很有吸引力，但这种分辨率可能会抑制成本。购买者必须权衡视觉系统的成本与ROI。

解决摄像机选择过程的一种方法是反向工作，首先要考虑成本。这样一来，购买者就不会因为购买相机而走上一条路，这将使成本变得难以理解。

工业相机选型要素

•首先确定预算，因为这将设置分辨率的标准。

•相机的分辨率应至少提供一个特征区域三像素的覆盖范围。

•选择成像速率略高于所需速率的相机。

•让速度和照相机与计算机之间的距离决定照相机的互连标准。

•确保照相机可以在进行检查的光线和环境条件下正常工作。

•查看制造商是否愿意自定义相机。