1.概述

        相机是机器视觉系统的重要组成部分，其最本质的功能就是通过CCD/CMOS成像传感器将镜头接收的光信号转变为有序的电信号，并将信息通过相应接口传送到计算机主机。

     

2.工作原理

        被摄物体一方的光线经过光学镜头聚焦至CCD/CMOS芯片上，在驱动电路中完成光电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信号转换为电信号输出。

        CCD与CMOS光电转换的原理相同，主要区别是从芯片读出数据的方式即读出结构不同：CCD每一行中每一个像素的电荷数据都会一次传送到下一行像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器统一进行放大；CMOS每个像素单元都会单独集成一个放大器及A/D转换电路，并且通过行列选择电路芯片可以直接输出数字信号。

2.1 CCD

        Charge-coupled Device，即电行耦合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD上植入的微小光敏物质称作像素，一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

2.2 CMOS
        Compementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。

2.3 CCD&CMOS对比

        CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的趋势。

3.分类与区别

4.相机参数/概念

4.1 相机类型（Camera type）

        1）面阵相机：传感器像元排列方式为M*N，有多行像素的相机。

        2）线阵相机：传感器像元排列方式为1*N，只有1或2行的像素的相机。

4.2 芯片类型（Sensor type）

        1）CCD：电荷耦合器件。

        2）CMOS：互补金属氧化物半导体。

4.3 色彩（Colour）

        1）黑白

        2）彩色：3CCD相机、拜尔相机

4.4 靶面尺寸（Sensor size）

       用于接收光信号的传感器的尺寸。面阵相机以芯片对角线长度来度量；线阵相机以芯片的横向长度来度量（这些规格也是沿袭了视频真空管的习惯，并非其实际尺寸，因此这里的1″=16mm，并非25.4mm）。

4.5 像元尺寸（Pixel size）

        像元指相机芯片的最小感光单元，每个像元对应图像上的一个像素。

        像元尺寸即相机芯片上每个像元的实际物理尺寸。像元尺寸越大，能收到的光子数量越多，芯片灵敏度越高，感光性越好，图像越亮。

        像元尺寸 = 靶面尺寸 / 分辨率（像元个数）

4.6 像元深度（Pixel depth）

        存储每个像素所用的数据位数。一般黑白相机使用8bit（1Byte）的像元深度，输出图像灰度等级是2的8次方，即0-255共256级。

4.7 分辨率（Resolution）

        由相机芯片阵列排列的像元数量决定，对于面阵相机来说水平像素数和垂直像素数的乘积即为相机分辨率。分辨率越高，对细节展示越明显。

        精度 = 单方向视场大小 / 单方向分辨率

4.8 帧率/行频（Frame Rate/Line Rate）

        相机的图像采集频率，每秒相机采集图像的数量。面阵相机帧率单位FPS，即帧/秒；线阵相机行频单位Hz，1Hz对应采集一行图像。分辨率越高的相机，帧率/行频越低。

4.9  曝光时间（Exposure time）

        光投射到相机传感器芯片上，相机芯片感光单元（像元）的感光时间，单位us。曝光时间越长，图像越亮。

4.10 曝光方式（Exposure type）

        1）行曝光/卷帘曝光：按序逐行曝光芯片像元，曝光时间与卷帘的开口大小和运动速度。卷帘快门更适合静止拍摄。

        2）帧曝光/全局曝光：每个像元在同一时刻同时曝光，曝光时间与快门的开关速度有关。对高速抓拍的场合必须使用全局快门的芯片。

4.11  快门类型（Shutter type）

        快门是控制光线照射感光元件时间的装置。包括：卷帘快门、全局快门、全局复位（同时开始曝光，卷帘读出）

4.12 触发方式（Trigger type）

        1）软件触发：由软件触发相机拍照，通过传输程序控制。

        2）硬件触发：由外部硬件产生触发脉冲触发，高速动态检测时比较可靠。

4.13. 增益（Gain）

        输入信号与输出信号放大比例，用来整体提高画面亮度，单位dB。增益越大，图片越亮。

4.14 数据接口

4.15 光学接口

        1）C：螺纹，法兰距12.5mm，公称直径1’’（最常见）

        2）CS：螺纹，法兰距17.5mm，公称直径1’’

        3）F：卡口

        4）K：卡口

4.16 动态范围（Dynamic range）

        相机可探测光信号的范围，即相机所能拍摄“最暗”至“最亮”的范围，单位dB。相机动态范围越大，所能表现的层次越丰富。具有此功能的相机经常被宣传为 HDR 或 WDR（高或宽动态范围）

4.17 信噪比（Signal to Noise Ratio）

        图像中信号与噪声的比值，代表了图像的质量，单位dB。图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

4.18 光谱效应（Spectral response）

        相机芯片对不用波长的光线的响应能力。

4.19 以太网供电（POE）

        Power Over Ethernet，以太网供电，可以省去外部电源线。但同时也少了外部IO控制， 如触发频闪功能。

4.19 高动态范围（HDR）

        High-Dynamic Range，高动态范围图像。通过多组不同的曝光参数来实现不同亮度范围内的拍摄，最后合成一张图。针对采像范围内明暗变化特别大的情况。

5.相机选型

5.1 确定相机类型

        1）对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑卷帘面阵相机。

        2）对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。

5.2 确定视野、精度要求

        1）根据应用场景和待测物体大小大致确定视野大小。

        2）根据要求确定像素精度。

5.3 估算分辨率

        1）短方向分辨率 = 短方向视野 / 要求的像素精度

        2）分辨率 = 宽度分辨率 * 高度分辨率

        3）选取接近的标准分辨率。考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，当我们已知精度去计算分辨率时，往往要选择比计算值更大的分辨率相机，才能满足要求。

5.4 确定帧率/行频

        1）相机的帧率要大于或等于检测速度。当被测物体有运动要求时，要选择帧数较高的工业相机。

5.5 确定数据接口

        1）根据应用场景和通讯距离确定通讯接口。

5.6 其他

        1）无颜色检测要求一般选用黑白相机。

        2）拍摄运动中的物体快门类型必须选用全局快门。

        3）帧率在500以上的高速采集相机使用CMOS相机。

        4）根据相机类型，分辨率，帧率，接口等参数大致确定选用相机，后面再根据镜头的选型反推这里相机是否正确。

by Ryou2-