机器视觉系列（四）——相机部分（精简版）

系列文章目录

机器视觉系列（一）——概述
机器视觉系列（二）——机械部分
机器视觉系列（三）——电气部分

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前言

延续之前的机器视觉系列文章，这里从应用的角度，介绍工业相机部分的相关整理内容。

一、工业相机和其他数码相机的区别

工业相机和普通数码相机的区别

①工业相机是工业用品，需要连续长时间运行，所以在性能可靠性、稳定性、环境稳定、防水、连续运行时间上有明显的优势。工业相机不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，而一般的数码相机是做不到这些的。
②工业相机的快门时间特别短，能够清晰地拍摄快速运动的物体。工业相机的最小快门时间可达十几μs。
③工业相机的拍摄帧率远远高于数码相机，工业相机每秒可以拍摄十到几百张图像，而普通相机只能拍摄两到三张图像。
④工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而数码相机是隔行甚至隔三行扫描的，所以工业相机的成像质量更高更真实。
⑤工业相机输出的是裸数据raw data，其光谱响应频率与人眼不同往往比较宽，成像质量较高，更适合精细化的图像处理要求。而普通相机的图像是经过压缩的，图像质量较差，不适合用于图像处理。
⑥工业相机由于拍摄图像多，图像质量高，所以自然要求要比普通相机具有更高的数据传输速率，也就对数据传输接口和传输协议都有特殊要求。

工业相机和单反相机的区别

上面的第①、②、⑥依然存在。此外还有：
①工业相机由于要应用无物理环境受限的工业场景，所以其体积要明显小于单反相机。
②工业相机配套SDK提供的软件功能，由于要满足专业的图像处理算法需要，所以要比用于拍摄生活场景的单反的软件功能更为强大。

二、工业相机的主要性能参数

我们已经知道工业相机主要是用来检验和监控的，所以其主要性能参数就是能更好满足上述应用需求的，其包括：
①芯片类型：彩色还是黑白、面阵还是线阵、CCD还是CMOS
②分辨率：感光芯片上有多少格像元，就是多少分辨率的相机，常用的有30万、130万、200万、500万、1000万、2900万、7100万、1.2亿。
③像元尺寸：像元是感光芯片上接受光信号的装置，每个图上的一个像素都对应像元，像元的物理尺寸就是像元尺寸，常见的有2.2μm、3.45μm、3.75μm、4.8μm、5.5μm、5.86μm、7.4μm。在同一时间单位的光照射到感光芯片上，像元尺寸越大，其能接受的光子数量越多，图像呈现的亮度越高。
④像素格式：由于相机可以是彩色或黑白相机，所以就会有不同的像素格式，如Mono和RGB。再加上彩色相机还会有不同的数据压缩方式，又进一步增加了像素格式的类型，如Bayer和YUV等。
⑤成像位深度：常见的工业相机一般使用8位来表示一个像素，也就是每个像素可以输出0~255共256个色阶。但还有更高级的工业相机，可使用12位或16位来表示一个像素，这样就会有更多的色阶，所拍摄出来图像的细节就更清晰。
⑥噪点：指感光芯片把光信号变成电信号并输出的过程中产生的不属于物体的部分影像。
⑦帧率/行率：面阵相机的帧率是指一秒钟能拍多少张图像，线阵相机的行频是指一秒钟相机能扫描多少行。
⑧曝光时间：感光芯片接收光照射过来的时间，曝光时间设置的越长，图像越亮。但如果运动拍照的话，曝光时间长可能会产生拖影。曝光方式分逐行曝光和帧曝光。
⑨快门方式：快门有全局快门Global Shutter和滚动快门Rolling Shutter两种。
⑩触发方式：一般可设置由相机内置程序自动连续获取图像，或由外部软件或硬件信号对相机进行触发，每发出一次触发信号相机采集一帧图像。而由外部信号触发又可进一步分为获取时触发和帧开始时触发两种。通过触发方式来采集图像，可使相机的采集时间得到更精确的控制。
⑪传输速率：一般有GigE、USB 3、CoaxPress等传输协议，传输速度从几Mbit/s到几Gbit/s都有。
⑫传输信息：除传输相机拍摄图像的裸数据外，还可传输控制命令、相机参数等信息。
其中②和③决定了相机能够拍多大的区域，在该区域能够以多大的密度来提取信息；④、⑤和⑥决定了相机的每个像素能有多大的动态范围；⑦、⑧、⑨和⑩决定了相机能够以多快的速度进行拍摄；⑪和⑫则表明了在相机获取了相关信息后，能以多快的速度，将多详细的信息提供给你使用。

三、面阵相机和线阵相机的区别

①面阵相机：是同一个曝光时间周期，输出多行数据的采集设备。
②线阵相机：单行或多行进行采集的图像采集器。每次只能输出一行或多行图像数据。线阵系统一般需要编码器和触发器才能完成对一幅图像的采集，编码器输出行频，触发器输出帧频。
其优缺点对比为：

如果你需要获取彩色图像，选择面阵相机；如果机械设计能力不足或现场机械设计受限，选择面阵相机；3D视觉应用，选择面阵相机；其他时候选择线阵相机。

四、CCD和CMOS相机的区别

CCD芯片中像素使用完整的芯片表面以捕捉光线，并且无需在芯片表面上安装任何转换电子元件，这使表面拥有更多的像素空间，可以捕捉更多的光线。但正是由于这个特性，CCD读取数据没有CMOS快。因为势阱中的电子数目不受电压和电流波动的影响，完全电荷转移模式使CCD成为最适合于图像传感器应用的结构，其有极高的信噪比。
CMOS芯片中，将光能转化为电信号的电子元件直接集成在芯片表面，因此电子元件能够快速地读取成像数据。

CMOS相比于CCD的优势

①性价比高。由于CMOS制造工艺属于通用工艺，而CCD制造属于专用工艺，所以CMOS制造成本更低；
②成像速度快。由于其芯片AD转换直驱技术，再配合CMOS可以实现更灵活的区域信号读取技术，使得CMOS具有更高的成像速度；
③高分辨率。由于CMOS在经济上和适用范围上的优势，使得其获得了更多的研发投入，目前已经开发出比CCD更高的分辨率；
④低功耗。CMOS电路可以工作在比CCD更低的电源电压下。此外，X-Y的寻址方案及片上功能实现都有助于降低系统功耗；
⑤没有漏光smear现象。当长波光照射到硅基上并穿透时，CCD进入饱和区后，电荷存储势阱将填满电子，过剩的电子会向外溢出。溢出的电子将进入相邻像素以及垂直CCD转移通道中。垂直CCD中残留的漏光电荷使得垂直方向转移的正常信号电荷都加上了漏光电荷，导致漏光从上而下均匀出现。这种现象是CCD独有的，称为漏光smear。由于漏光量与电子快门速度无关，电子快门会导致漏光劣化。

CCD相比于CMOS的优势

①更高的动态范围。与CMOS传感器相比，CCD传感器对光更加敏感，这是因为CCD有更大的填充因子，这就导致CCD在光电转换的精度方面更有优势，从而更适于高清晰成像或位深度大于8的成像应用。
②更高的信噪比。因为势阱中的电子数目不受电压和电流波动的影响，完全电荷转移模式使CCD成为最适合于图像传感器应用的结构，可获得更高的信噪比。因此与CMOS传感器相比，CCD传感器更适合低对比度的场合。
③更小的不均匀性。由于CMOS的每个像素都有放大器，因此有不同的增益和补偿，所以更难获得整体的均匀一致性。
如果需要超高分辨率，选用CMOS；如果需要高清晰度，选用CCD；如果需要对低对比度场景进行成像，选用CCD；其他场合都选用CMOS。

五、全局快门和滚动快门的区别

全局快门Global Shutter和卷帘快门Rolling Shutter是常见的相机曝光方式。全局快门的方式比较简单，光圈打开后，整个图像芯片同时曝光，因此曝光时间与机械的开关速度有关，所以存在理论上的最小曝光时间。卷帘快门是当光圈打开后，还存在具有一定间隔的卷帘来控制传感器的曝光时间，如下图所示，卷帘方式是从左到右的。因此曝光时间的长短完全取决于卷帘的开口大小与卷帘的运动速度。也就是说，卷帘运动越快，卷帘间距越小，其曝光时间越小，因此卷帘快门能够具有更小的曝光时间。

全局快门与卷帘快门的优缺点

①全局快门的优点是所有的像素点同时曝光