如何對機器視覺工業相機做出正確的選型

如何對機器視覺工業相機做出正確的選型

技術進步帶來了新的、高質量的傳感器，使機器視覺攝像機能夠以比以往任何時候都更低的成本提供更大的功能和功能。這些因素正在推動更多行業和規模的企業追求這些新的、改進的和更實惠的相機。然而，無論在哪個行業，在尋求遠景解決方案時，都有許多因素需要考慮。

線掃描還是面掃描？

如果對于檢測精度要求很高，運動速度很快，面陣相機的分辨率和幀率達不到要求的情況下，當然線陣相機是必然的選擇。

制造商需要的相機類型，無論是線掃描相機還是面掃描相機，都將取決于應用程序。大多數人都了解區域掃描相機背后的技術，該技術類似于高分辨率數碼相機。區域掃描相機可生成具有水平和垂直元素的2D圖像。

區域掃描相機用于檢查離散的組件，例如藥品瓶或汽水罐。

線掃描相機更難理解。線掃描相機只看一條線，然后通過相對于相機移動對象同時不斷抓取一線切片來構建2D圖像。如果物體不能包含在實際尺寸的視野中，請考慮使用線掃描相機。線掃描相機最典型的用途是用于涉及“網”檢查的應用，例如大卷紙，織物，鋁，鋼或玻璃板。

如果應用程序要檢查50,000英尺的紙卷，則不可能通過區域掃描相機單次執行此操作。線掃描相機可在此類應用中使用，因為諸如紙卷之類的物體已經作為正常制造過程的一部分移動了。線掃描相機將紙卷中的線編譯為多個2D圖像。如果每個圖像的高度為1,000線，則相機會將1000線捕獲為一個2D圖像，然后為下一個圖像拾取1,001到2,000的線，依此類推。相機將50,000英尺的紙張卷成2D圖像，但是在此過程中沒有任何損失。

線掃描相機用于檢查“卷筒紙”

許多機器視覺應用程序的默認選擇是區域掃描相機。如果應用程序涉及檢查鋁罐，玻璃瓶或分立組件，則這可能是正確的選擇。在區域掃描相機沒有意義的情況下，例如在需要比區域相機提供的分辨率更高的分辨率或在正常視場中無法捕獲物體的情況下，將使用行掃描相機。

黑白相機還是彩色相機？

黑白的同樣分辨率的相機，精度比彩色高，尤其是在看圖像邊緣的時候，黑白的效果更好。特別是做圖像處理，黑白工業相機得到的是灰度信息，可直接處理。

要想得到與現實吻合度高的色彩，需要后期處理，比如監控相機。

分辨率要求

在選擇機器視覺相機的過程中，分辨率是關鍵考慮因素。計算分辨率需要知道視野的大小和需要解決的最小特征。術語“特征”通常是指產品中的缺陷或物體上很小的元素。該功能可能是應該存在的東西，例如印刷電路板上的小孔，或者可能是不應該存在的東西，例如鋁板上的劃痕。在這些情況下，需要檢測該功能是什么，無論它是缺陷還是要存在的缺陷。

對于許多人來說，考慮到要檢測的特征有多小，膝蓋的反應是要獲得一臺能夠檢測“一切”的攝像機。這種方法并不總是現實或必要的。分辨率是驅動相機成本的主要因素之一。重要的是獲得所需的盡可能多的分辨率，但不要過度使用它。通常，經驗法則是這樣的：為了能夠準確地檢測到特定大小的特征，請在覆蓋該區域的至少三個像素上進行規劃。并非總是能夠通過解釋單個像素來檢測特征。整個功能上的幾個像素可以確保它不是像差。例如，要檢測小至1/100英寸的特征，請選擇比其小三倍的像素大小，即3/1000英寸。

分辨率越高，識別功能就越容易，但是現在是時候權衡系統成本和所需分辨率的時間了。提交之前，請進行一些測試。從制造商處借用相機，或使用高分辨率攝影相機來了解需要多少分辨率才能看到需要觀看的內容。

根據目標的要求精度及視野范圍，反推出相機的像素精度。相機單方向分辨率=單方向視野范圍÷理論精度。

例如對于視野大小為10*10mm的場合，要求精度為0.02mm/pixel,則當方向上分辨率=10/0.02=500.然而考慮到相機邊緣視野的畸變以及系統的穩定性要求，一般不會只用一個像素單位對應一個測量精度值，一般選擇倍數為2或者更高，這樣相機單方向分辨率為1000，相機的分辨率=1000*1000=100萬，所以選用100萬像素的相機即可滿足。

同時需要考慮算力，分辨率太大，幀率太高，cpu撐不住。

成像率

如果應用程序是要檢查離散的組件（例如罐，瓶或活塞），那么每秒必須檢查多少個這些組件？在給定的時間段內，有多少組件將移動經過空間中的單個點？是每秒三張嗎？每分鐘五十？相機至少需要以該速率采集。最好有一點額外的余量。如果應用程序要求以25 fps捕獲的攝像機，請選擇以30 fps捕獲的攝像機。這將給錯誤提供一些空間。

線掃描相機需要更多的數學運算才能確定合適的采集速率，但這并不困難。確定分辨率后，請確定對象移動的速度，然后確定一秒鐘需要抓取多少行才能獲得必要的分辨率。如果需要3/1000英寸的像素分辨率，并且對象以每秒100英寸的速度移動，則這將要求線掃描相機的最低速度為每秒33,333行或33.3 kHz的線速。

互連標準

有不同的互連標準可供選擇，并且該選擇基于兩個要求：速度和相機與計算機之間的距離。如果優先考慮速度，則找到速度足夠快的互連，以所需的速率將數據從相機傳輸到主機。一些較高的速度標準是Camera Link，Camera Link HS和USB3 Vision。Camera Link HS是可用的最快速度的互連之一，但它需要一個圖像采集卡。就速度而言，USB3 Vision的速度不如Camera Link HS。但是，USB連接通常直接內置在計算機中，因此它不需要幀采集器或其他硬件來獲取數據。

有些人之所以選擇GigE Vision，是因為它基于千兆位以太網規范，并且可以在相機和計算機之間走很長一段距離。如果相機距離計算機很遠（超過10到15 m），則GigE Vision是一個不錯的選擇。GigE Vision的速度比Camera Link和USB3 Vision標準慢，但如果照相機距離計算機較遠，它可能是唯一的選擇。

對于需要GigE Vision距離的應用，制造商正在努力減少或消除這種速度障礙。一些制造商已經找到了通過使用類似于壓縮的方法來更有效地傳輸數據的方法，以提高GigE Vision的有效速率，同時保持相機和計算機之間的長距離優勢。如果應用程序需要GigE Vision，請確保與制造商聯系，以了解他們所提供的可以提高效率的產品。如今，5 GigE和10 GigE連接速度已越來越廣泛地用作攝像機接口的選擇。顧名思義，5 GigE和10 GigE分別是GigE速度的5倍和10倍，甚至5 GigE都提供了比USB3更大的帶寬。

接口一般還承擔供電功能，USB可承擔供電，千兆網可以poe供電。

光波長

光波長并不是每個應用都需要關注的問題。但是，某些應用程序將要求照相機對某些波長的光敏感。例如，在進行貨幣檢查時，可能會有一些僅在UV或紅外光下可見的安全功能。在這種情況下，請確保攝像機在該波長下具有足夠的感光度以執行成功的檢查。還需要具有相應波長特性的光源，以允許照相機可視化所討論的特征。對于大多數應用，使用白光或寬帶光，任何標準相機都足夠。如果檢查涉及任何特殊照明，請確保相機選擇適合所需的光波長。

在某些情況下，例如對于貨幣的安全性功能，紫外線或紅外光被用作檢查過程的一部分。在這種情況下，相機需要對所需的光波長敏感。

像素深度

每位像素數據的位數，常見的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同決定了圖像的大小。例如對于像素深度為8bit的500萬像素，則整張圖片應該有500萬*8/1024/1024=37M（1024Byte=1KB，1024KB=1M）。增加像素深度可以增強測量的精度，但同時也降低了系統的速度，并且提高了系統集成的難度（線纜增加，尺寸變大等）。

針對高速運動目標選型要點

經常會有項目需要抓拍高速運動物體，而普通工業相機拍攝的圖像會出現拉毛、模糊、變形等影響圖像質量的問題，在拍攝圖像時，圖像模糊現象的出現取決于曝光時間的長短與物體的運動速度。如果曝光時間過長，物體運動速度過快則會出現圖像模糊。

拍攝物體為運動物體應選擇全局快門（Global shutter)的工業相機，且需要選擇幀率大于運動速度的工業相機。

（1）     快門時間

要滿足物體運動速度Vp*快門時間Ts<允許最長拖影S。運動速度比較快的物體拍照，為了防止長的拖影就需要極短的曝光時間，選用感光比較好的工業相機，可以實現。

（2）     最大幀率

幀率即相機每秒鐘可以捕捉的圖像數量，一般決定于圖像大小、曝光時間等，是相機的一個重要指標。相機幀率必須保證能夠拍攝到系統要求時間間隔最短的兩張圖片，處理圖像的時間一定要快，一定要在相機的曝光和傳輸的時間內完成，否則就有可能造成丟幀等現象，進而漏檢某些產品。

CCD感光芯片還是CMOS

目前市場上既有CCD(charge coupled device，電荷耦合器件)圖像芯片，也有CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互補金屬氧化物半導體)圖像芯片。它們的任務是將光信號(光子)轉換成電信號(電子)。然而，兩種芯片類型在傳輸這一信息時采用了不同的方法和手段，其各自的設計也是完全不同的。

CCD芯片設計

在CCD芯片中，光敏像素的電荷發生移位并被轉化為信號。像素電荷產生于對半導體的曝光，在許多非常小的移位操作(垂直和水平移位寄存器)的支持下(類似于“斗鏈”)，被傳輸到中央模擬/數字轉換器。由芯片中的電極所產生的電場推動電荷的傳輸。

CCD芯片中的電荷傳輸需要大量的時間。對于高分辨率芯片，這是一個明顯的劣勢：因為像素數眾多，電荷必須由許多移位操作送入中央放大器。這嚴重限制了最大幀速率。

CMOS芯片設計

在CMOS芯片中，并行于每個像素放置了存儲電荷的電容。當每個像素曝光時，這個電容器被光電電流充電。電容器中產生的電壓與亮度和曝光時間成正比。不同于CCD芯片，因芯片曝光而由電容捕獲的電子不會移位到單個輸出放大器，而是會通過每個像素自己的關聯電子電路直接轉化為可測量的電壓。然后，這個電壓可用于模擬信號處理器。通過使用額外的電子電路，每個像素都可以被定位，而無需CCD中的電荷移位。由此，對圖像信息的選擇速度遠遠高于CCD芯片，且光暈和拖尾等因過度曝光而產生的非自然現象的發生頻率要低得多，也可能根本不會發生。 其缺點是每個像素的電子電路所需的額外空間不會作

為光敏區域提供。由此，芯片表面上的光敏區域部分(定義為填充因子)小于CCD芯片。因此，從理論上講，可以收集的圖像信息光子數會有所減少。然而，我們有方法削減這一劣勢。

CMOS芯片有更高的滿井容量(也稱飽和容量)，它定義了每像素的最大電子數。在很多情況下，該參數受到較低飽和閾值的人為限制。

所以盡管CCD芯片提供了更好的靈敏度閾值，但CMOS芯片通過其優越的飽和容量，在動態性能方面不僅彌補了自己的劣勢，而且超越了前者。這樣，CMOS與CCD芯片的動態水平表現幾乎持平。

盡管CMOS芯片代表比CCD芯片更新的技術，但在現階段它們本身已是技術成熟的產品，并且對于許多應用而言，它們實際上是更好的選擇。

CCD和CMOS像素的不同讀出行為：

CCD芯片(左)和CMOS芯片(右)的設計。在CCD芯片中，電荷是逐像素進行進一步的移位。而CMOS芯片與此相反：它每個像素的電荷是直接轉換為電壓和讀數，這使得CMOS芯片的速度明顯更快。

如上所述，CMOS芯片技術近年來已取得巨大進步，在多方面已超越CCD。憑借高速度(幀速率)、高分辨率(像素數)、低功耗以及最新改良的噪聲指數和量子效率等各方面優勢，CMOS芯片逐漸在由CCD芯片主導的領域里取得了一席之地。

CMOS如今已具有很多優勢：

? 高速成像(幀速率)

得益于其體系結構，CMOS芯片能實現更高的幀速率。將改進的靈敏度與來自CMOSIS、Sony和ON Semiconductor的最新全局快門技術相結合，這類芯片現在可以拍攝非?？焖俚膱D像序列。這反過來可以提高您的應用的性能，比如每秒檢查更多的部件。

例如：

顯微鏡樣品無縫篩查

針對實驗室自動化應用快速聚焦

? 高分辨率(像素數)

由于其體系結構，即使在非常高的分辨率下，CMOS芯片也能提供非常高的幀速率，因此高分辨率芯片主要基于這種技術生產。

適用于自動化試樣掃描的足夠分辨率

根據顯微鏡領域百萬像素的發展趨勢，對高分辨率的需求在不斷增加

? 超強動態范圍

滿井容量(也稱飽和容量)是每像素的最大電子數。滿井容量與靈敏度閾值的比值表示芯片可以覆蓋的動態范圍。所以盡管CCD芯片提供了更好的靈敏度閾值，但CMOS芯片通過其優越的飽和容量，在動態范圍方面不僅彌補了自己的劣勢，而且超越了前者。這樣，CMOS與CCD芯片的動態水平表現幾乎持平。Sony IMX174芯片就是一個很好的例子：與所有可比CCD芯片相比，它提供的動態范圍都更優越。

顯微鏡相機的強大重現性能

低功耗

低發熱和低功耗，非常適合小型或移動醫療設備

USB 3.0等數據連接還可以為整個相機供電；簡化了系統設置，從而削減成本

改良的噪聲性能

通過CMOS芯片降低了功耗，發熱少，大大減少了信號噪聲。

經驗法則：溫度每上升8°C，信號噪聲增加一倍。

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改良的量子效率

幾年前說CCD芯片在弱光的情況下有更好的性能可能是合理的(盡管CMOS芯片在亮光情況下略微領先)，但CMOS芯片的成像質量得到了大幅改善，它們現在已經很好地適應了弱光的情況。

適合熒光應用

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出眾的性價比

削減了醫療設備和系統的成本

得益于CMOS技術目前的主要屬性，從長遠來看此芯片技術應該會占據優勢。

光學放大倍數

放大率F = 像元尺寸/精度 （或芯片尺寸除以視野范圍）。

相機選擇了之后，像元尺寸也就確定了。像元尺寸指傳感器上一個物理像元的尺寸，目前工業數字相機像元尺寸一般位3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質量也越不容易提高。

焦距

焦距是從鏡頭的中心點到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離（注意！，相機的焦距與單片凸透鏡的焦距是兩個概念，因為相機上安裝的鏡頭是多片薄的凸透鏡組成，單片凸透鏡的焦距是平行光線匯聚到一點，這點到凸透鏡中心的距離）。焦距的大小決定著視角的大小，焦距數值小，視角大，所觀察的范圍也大;焦距數值大，視角小，觀察范圍小。根據焦距能否調節，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。

根據工作距離計算焦距，如圖所示。所謂的工作距離，是指當圖像在焦距范圍內的時候，物體和照相機鏡頭前端的距離。它限制了視覺系統以及和視覺系統一起工作的設備所需要的空間。在極限范圍內，通過鏡頭重新對焦，可以改變工作距離。無限共軛鏡頭的對焦距離可以從最小工作距離一直到無限遠，有限共軛鏡頭則有一個特定工作距離范圍。

景深

景深是指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內，其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。光圈越大，景深越小;光圈越小、景深越大。焦距越長，景深越小;焦距越短，景深越大。距離拍攝體越近時，景深越小;距離拍攝體越遠時，景深越大。

環境

許多視覺系統安裝在非常熱的場所。相機由敏感的電子設備組成，并會受到溫度的影響。每個相機制造商都會為其產品提供工作溫度規格。通常，如果環境超出這些規格，并不表示相機將無法運行。相反，這意味著當超出這些規格的范圍時，相機的性能可能會降低。在炎熱的環境中降低性能的最常見方法是相機會變得“嘈雜”，這意味著圖像中會有意想不到的亮度變化。另外，超出溫度規格通常會對相機的使用壽命產生負面影響。

為了使攝像機保持在其工作溫度規格范圍內，許多制造商都采用了散熱方法。因此，在考慮購買哪臺相機時，請務必評估操作環境溫度，研究相機的操作規格，并討論制造商在必要時可以提供的選擇，以保持相機正常工作。

視場角

這里要注意，選擇鏡頭的時候，還要注意視場角，（假設視場大小為2Ax2B）

水平視場角=2*arctg(A/C)

垂直視場角=2*arctg(B/C)

可使用廣角鏡頭，但鏡頭畸變率隨之升高，消除桶形畸變后，視野可能并沒有變大多少

光圈

用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。每個鏡頭上都標有最大F值，例如　8mm　/F1.4代表最大孔徑為　5.7毫米　。F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

遠心鏡頭

遠心鏡頭是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化。遠心鏡頭與傳統鏡頭對比，如圖：

傳統和遠心鏡頭的視場對比。請注意傳統鏡頭的視場角和遠心鏡頭的零視場角。

固定焦距鏡頭的視場角可轉化為圖像中的視差，導致兩個立方體顯示為不同大小。

M 12鏡頭

M12鏡頭可與工業相機配合，從而更加便攜。和CCS口間需要轉接圈

濾光片

在戶外場景下，鏡頭前可安裝紅外線濾光片，以適應車輛突然出隧道情況，緩解太陽光直射

靶面直徑=相機像元尺寸x相機的水平或者垂直的像素數，（所以鏡頭的尺寸必須大于這個數值，要不然在傳感器上成的像就不全）

品牌國產與進口

國內比較早的是大恒、凌云，其他：上海方誠、陜西維視、?？?等。

國外：以德國與日本為主。basler,AVT,JAI等。PG（灰點）在中國的市場縮水

還有在國內市場不多的Smartek，Optronis（高速相機），TheImagingSource 德國映美精TELI 日本東芝泰力 、Sentech 日本先特客、Hitachi 日本日立、SONY 日本索尼 

光譜響應特性

是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應范圍為350nm~1000nm，一些相機在靶面前面加了一個濾鏡，濾除紅外線，如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

工業相機噪聲

噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標之外的信號?？傮w上分為兩類，一類是由有效信號帶來的散粒噪聲，這種噪聲對任何相機都存在；另一類是相機本身固有的與信號無光的噪聲。它是由于圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路帶來的固有噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。

信噪比

相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質量，圖像信噪比越高，相機性能和圖像質量越好。

相機定制

如果計劃隨著時間的推移購買大量相機，則制造商可能愿意提供一些定制服務。如果工廠中的一條或兩條生產線僅需要一個或兩個視覺系統，則購買選項可能僅限于具有現成功能的攝像機。但是，如果幾年來每年需要1,000個視覺系統，則某些制造商將提供高度的定制。在這種情況下，可能會刪除昂貴且不必要的功能-或添加標準產品中未包含的功能。如果長期計劃包括購買大量相機，則值得一提的是，向制造商看看是否可以協商這些選項中的任何一個。

預算

就像分辨率和速度一樣，成本是您決定購買的關鍵因素。如果此時已決定購買和安裝視覺系統，則可能已經確定了該技術的成本效益和投資回報（ROI）預測。這些評估將決定攝像機的預算。

就像考慮分辨率時一樣，成本將決定視覺系統可以實現的目標。雖然對產品進行原子級檢查很有吸引力，但這種分辨率可能會抑制成本。購買者必須權衡視覺系統的成本與ROI。

解決攝像機選擇過程的一種方法是反向工作，首先要考慮成本。這樣一來，購買者就不會因為購買相機而走上一條路，這將使成本變得難以理解。

工業相機選型要素

?首先確定預算，因為這將設置分辨率的標準。

?相機的分辨率應至少提供一個特征區域三像素的覆蓋范圍。

?選擇成像速率略高于所需速率的相機。

?讓速度和照相機與計算機之間的距離決定照相機的互連標準。

?確保照相機可以在進行檢查的光線和環境條件下正常工作。

?查看制造商是否愿意自定義相機。