視覺工程師必須知道的工業相機38問！

1.工業相機的丟幀的問題是由什么原因引起的?

經常會有一些機器視覺工程師認為USB接口的工業相機會造成丟幀現象。一般而言，工業相機丟幀與工業相機所采用的傳輸接口是沒有關系的，無論是USB，還是1394、GigE、或者是CameraLink。設計不良的驅動程序或工業相機硬件才是造成丟幀的真正原因：設計不良的工業相機之所以會發生丟幀的現象，其實就是資料通道的堵塞，無法及時處理,所以新的圖像進來時，前一張可能被迫丟棄，或是新的圖像被迫丟棄。要解決這問題，需要設計者針對驅動程序與工業相機硬件資料傳輸的每個環節進行精密的設計。

2：工業相機輸入、輸出接口有哪些?

在機器視覺檢測技術中，工業相機的輸入、輸出接口有Camera Link、IEEE 1394、USB2.0、Ethernet、USB3.0幾種；

3：知道被測物的長、寬、高以及要求的測量精度，如何來選擇CCD 相機和工業鏡頭，選擇以上器件需要注意什么?

首先要選擇合適的鏡頭。選擇鏡頭應該遵循以下原則：

1).與之相配的相機的芯片尺寸是多大；

2).相機的接口類型是哪種的，C 接口，CS 接口還是其它接口；

3).鏡頭的工作距離；

4).鏡頭視場角；

5).鏡頭光譜特性；

6).鏡頭畸變率；

7).鏡頭機械結構尺寸；

選擇CCD 相機時，應該綜合考慮以下幾個方面：

1).感光芯片類型；CCD 還是CMOS

2).視頻特點；包括點頻、行頻。

3).信號輸出接口；

4).相機的工作模式：連續，觸發，控制，異步復位，長時間積分。

5).視頻參數調整及控制方法：Manual、RS232.

同時，選擇CCD 的時候應該注意，l inch = 16mm 而不是等于25.4mm.

4：CCD 相機與CMOS 相機的區別在哪里？

1、 成像過程

CCD 與CMOS 圖像傳感器光電轉換的原理相同，他們最主要的差別在于信號的讀出過程不同；由于CCD僅有一個（或少數幾個）輸出節點統一讀出，其信號輸出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每個像素都有各自的信號放大器，各自進行電荷-電壓的轉換，其信號輸出的一致性較差。但是CCD 為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。盡管降低了功耗，但是數以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS 相對CCD 的固有劣勢。

2、 集成性

從制造工藝的角度看，CCD 中電路和器件是集成在半導體單晶材料商，工藝較復雜，世界上只有少數幾家廠商能夠生產CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD 僅能輸出模擬電信號，需要后續的地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的版單體材料上，這種工藝與生產數以萬計的計算機芯片和存儲設備等半導體集成電路的工藝相同，因此聲場CMOS 的成本相對CCD 低很多。同時CMOS 芯片能將圖像信號放大器、信號讀取電路、A/D 轉換電路、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實現相機的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機概念就是從這產生的。隨著CMOS 成像技術的不斷發展，有越來越多的公司可以提供高品質的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3、 速度

CCD 采用逐個光敏輸出，只能按照規定的程序輸出，速度較慢。CMOS 有多個電荷-電壓轉換器和行列開關控制，讀出速度快很多，目前大部分500fps 以上的高速相機都是CMOS 相機。此外CMOS 的地址選通開關可以隨機采樣，實現子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時可以獲得更高的速度。

4、噪聲

CCD 技術發展較早，比較成熟，采用PN 結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS 光電傳感器有一定優勢。由于CMOS 圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大。近年，隨著CMOS 電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS 圖像傳感器提供了良好的條件。

5：工業相機都有哪些主要參數？

1.分辨率

2. 速度（幀頻/行頻）

3. 噪聲

4. 信噪比

5. 動態范圍

6. 像元深度

7. 光譜響應

8. 光學接口

6：工業相機的分辨率是如何定義的？

分辨率是相機最基本的參數，由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數量。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元，后面的數字表示像元的行數，即1080 行。現在相機的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048)，3K(4096)等。在采集圖像時，相機的分辨率對圖像質量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節的展示越明顯。

7：工業相機的幀頻和行頻是什么意思？

相機的幀頻/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常面陣相機用幀頻表示，單位fps（Frame Per second），如30fps，表示相機再1 秒鐘內最多能采集30 幀圖像；線陣相機通常用行頻便是單位KHz,如12KHz 表示相機再1 秒鐘內最多能采集12000 行圖像數據。速度是相機的重要參數，在實際應用中很多時候需要對運動物體成像。相機的速度需要滿足一定要求，才能清晰準確的對物體成像。相機的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設計最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時鐘決定。

8： 工業相機的噪聲是什么意思？

工業相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標外的信號。根據歐洲相機測試標準EMVA1288 中，定義的相機中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號帶來的符合泊松分布的統計漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shot noise）,這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免，尤其確定的計算公式。（就是：噪聲的平方= 信號的均值）。第二類是相機自身固有的與信號無關的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。另外，對數字相機來說，對視頻信號進行模擬轉換時會產生量化噪聲，量化位數越高，噪聲越低。

9： 工業相機的信噪比什么意思？

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，圖像質量越好。

10： 工業相機中動態范圍是什么意思？

相機的動態范圍表明相機探測光信號的范圍，動態范圍可用兩種方法來界定，一種是光學動態范圍，指飽和時最大光強與等價于噪聲輸出的光強的比值，由芯片的特性決定。另一種是電子動態范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。對于固定相機其動態范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應去，相機的動態范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動態范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號動態范圍可用倍數、dB 或Bit 等方式來表示。動態范圍大，則相機對不同的光照強度有更強的適應能力。

11：工業相機里的像元深度是什么意思？

數字相機輸出的數字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數，稱為像元深度。對于黑白相機這個值的方位通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數。例如，對于8bit 的相機0 代表全暗而255 代表全亮。介于0 和25 之間的數字代表一定的亮度指標。10bit 數據就有1024個灰階而12bit有4096個灰階。每一個應用我們都要仔細考慮是否需要非常細膩的灰度等級。從8bit上升到10bit 或者12bit的確可以增強測量的精度，但是也同時降低了系統的速度，并且提高了系統集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。

12： 工業相機都有哪些接口？

接口是指相機與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有C口，CS口，F口。

13： 工業相機是怎么分類的？

1. 按照芯片結構分類：CCD 相機& CMOS 相機

2. 按照傳感器結構分： 面陣相機 & 線陣相機

3. 按照輸出模式分類：模擬相機 & 數字相機

4. 彩色相機&黑白相機

14： 工業相機與普通數碼相機的區別在哪里？

1.工業相機的快門時間特別短，能清晰地抓拍快速運動的物體，而普通相機抓拍快速運動的物體非常模糊；

2.工業相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通相機的圖像傳感器是隔行掃描的，甚至是隔三行掃描；

3.工業相機的拍攝速度遠遠高于普通的相機；工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅的圖片，而普通相機只能拍攝2-3 幅圖像；

4.工業相機輸出的是裸數據，它的光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的圖像處理算法，普遍應用于機器視覺系統中。而普通相機拍攝的圖片，它的光譜范圍只適合人眼視覺，并且經過了MPEG 壓縮，圖像質量也較差；

15： 如何選擇線陣相機？

1.計算分辨率：幅寬除以最小檢測精度得出每行需要的像素。

2.檢測精度：幅寬除以像素得出實際檢測精度。

3.掃描行數：每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數。

根據以上計算結果選擇線陣相機舉例如下：

如幅寬為1600 毫米、精度1 毫米、運動速度22000mm/s 相機：1600/1＝1600 像素 最少2000像素，選定為2k 相機 1600/2048＝0.8 實際精度22000mm/0.8mm＝27.5KHz 應選定相機為2048 像素28kHz 相機

16： 線陣相機有哪些特點？

1.線陣相機使用的線掃描傳感器通常只有一行感光單元（少數彩色線陣使用三行感光單元的傳感器）

2.線陣相機每次只采集一行圖像；

3.線陣相機每次只輸出一行圖像；

4.與傳統的面陣相機相比，面陣掃描每次采集若干行的圖像并以幀方式輸出。

17：為什么要在機器視覺檢測中使用線陣相機？

1.線陣相機有更高的分辨率；線陣相機每行像素一般為1024，2048，4096，8012；而一般的面陣相機僅為640，768，1280，大于2048的面陣很少見。

2.線陣相機的采集速度更快；不同型號的線陣相機采集速度從每秒5000 行-60000 行不等，用戶可以選擇沒幾行或者每十幾行即構成一幀圖像進行處理一次，因此可以達到很高的幀率。

3.線陣相機可以不間斷的連續采集和處理；線陣相機可以對直線運動的物體（直線導軌，滾筒上的紙張，織物，印刷品，傳送帶上的物體等）進行連續采集。

4.線陣相機有更簡單合理的構造。與面陣相機相比，線陣相機不會浪費分辨率采集到無用數據。

18：什么是智能工業相機？

智能工業相機并不是一臺簡單的相機，而是一種高度集成化的微小型機器視覺系統。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現的機器視覺解決方案。智能工業相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置等構成。由于應用了最新的DSP、FPGA 及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。

19： CCD 芯片與CMOS 芯片的主要參數有哪些？

在機器視覺中主要采用的兩類光電傳感芯片分別為CCD 芯片和CMOS 芯片，CCD 是ChargeCoupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，CMOS 是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor(互補金屬氧化物半導體)的縮寫。無論是CCD 還是CMOS，他們的作用都是通過光電效應將光信號轉換成電信號（電壓/電流），進行存儲以獲得圖像。CCD 芯片與CMOS 芯片的主要參數有：

1. 像元尺寸

像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

2. 靈敏度

靈敏度是芯片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。

3. 壞點數

由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許范圍的像元）的數量，換點數是衡量芯片質量的重要參數。

4. 光譜響應

光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力，通常用光譜響應曲線給出。

20：線陣相機與面陣相機的區別在哪里？

線陣CCD 工業相機主要應用于工業、醫療、科研與安全領域的圖象處理。在機器視覺領域中，線陣工業相機是一類特殊的視覺機器。與面陣工業相機相比，它的傳感器只有一行感光元素，因此使高掃描頻率和高分辨率成為可能。線陣工業相機的典型應用領域是檢測連續的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動 , 利用一臺或多臺工業相機對其逐行連續掃描 , 以達到對其整個表面均勻檢測。可以對其圖像逐行進行處理 , 或者對由多行組成的面陣圖像進行處理。另外線陣工業相機非常適合測量場合，這要歸功于傳感器的高分辨率 , 它可以準確測量到微米。

對于面陣CCD 來說，應用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。面陣CCD 的優點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數多，而每行的像元數一般較線陣少，幀幅率受到限制，而線陣CCD 的優點是一維像元數可以做得很多，而總像元數角較面陣CCD 工業相機少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數高，特別適用于一維動態目標的測量。

21：線陣相機是如何定義的？

線陣工業相機，機顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極長，幾K 的長度，而寬度卻只有幾個像素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機：

1、被測視野為細長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

2、需要極大的視野或極高的精度。

22：選擇工業相機的一般步驟是什么？

第一步，首先需要知道系統精度要求和工業相機分辨率；

第二步，需要知道系統速度要求與工業相機成像速度；

第三步，需要將工業相機與圖像采集卡一并考慮，因為這涉及到兩者的匹配；

第四步，價格的比較。

23：如何用機器視覺系統要求的精度來計算出需要選用相機的分辨率(像素)？

知道實際檢測精度來反推該選用多大像素的工業相機可以通過公式來計算得出：X 方向系統精度（X 方向像素值）=視野范圍（X 方向）/CCD 芯片像素數量（ X 方向）；Y 方向系統精度（Y 方向像素值）=視野范圍（Y方向）/CCD 芯片像素數量（ Y 方向）來獲得。當然理論像素值的得出，要由系統精度及亞像素方法綜合考慮；

24：如何根據實際要求的檢測速度來推導出該選用什么速度的工業相機？

系統單次運行速度=系統成像（包括傳輸）速度+系統檢測速度，雖然系統成像（包括傳輸）速度可以根據工業相機異步觸發功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是通過軟件進行實際測試；

25：工業相機需要與圖像采集卡匹配哪些才能正常使用？

工業相機需要與圖像采集卡匹配好才能正常使用，一般需要匹配以下幾個：

ａ、視頻信號的匹配，對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同時支持這兩種工業相機；

ｂ、分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范圍內的相機；

ｃ、特殊功能的匹配，如要是用相機的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描；

ｄ、接口的匹配，確定相機與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394 等。

26：USB 接口的工業相機與1394 接口工業相機的區別在哪里？

USB 相機與1394 相機從接口方面來說影響到我們選擇的因素主要有以下幾點：

a）協議規范：1394 設備相關工業規范協議有50 多種，涉及到從攝像機、工業相機、等設備。各廠家的1394 工業相機大都遵循DCAM 工業規范。而USB 工業相機的接口是近期從商業PC 應用中發展起來的商業規范。

b）供電方式：1394 工業相機操作電壓為8 到30VDC，USB 工業相機工作電壓是5VDC。從供電范圍角度看，1394接口符合工業領域單獨設備的直流供電要求，比如12VDC 或24VDC；而USB 接口采用電子線路TTL 標準電壓供電，一般做設備內部供電使用。

c）操作系統配合：1394 接口工業相機在系統重新啟動后能夠保持原先的地址不變，而USB 接口工業相機每次啟動后都需要系統重新分配地址的。

d）數據傳輸：1394 接口在處理多臺工業相機的數據傳輸時，有著先天的優勢。從發展背景來看，USB 接口是承接RS232 接口的新一代高速數據傳輸接口，而1394 接口的工業相機是作為替代SCSI 和PCI 總線的而設計的。

27：智能工業相機與一般工業相機區別在哪里？

智能相機與工業相機區別，簡言之：智能相機是一種高度集成化的微小型機器視覺系統；而工業相機是機器視覺系統的組成部分之一。

28：智能工業相機中圖像采集單元的主要功能是什么？

在智能相機中，圖像采集單元相當于普通意義上的CCD/CMOS 相機和圖像采集卡。它將光學圖像轉換為模擬/數字圖像，并輸出至圖像處理單元。

29：智能工業相機中圖像處理單元起什么作用

在智能工業相機中，圖像處理單元類似于圖像采集、處理卡。它可對圖像采集單元的圖像數據進行實時的存儲，并在圖像處理軟件的支持下進行圖像處理。

30：智能工業相機中圖像處理軟件的主要作用是什么？

圖像處理軟件主要在圖像處理單元硬件環境的支持下，完成圖像處理功能。如幾何邊緣的提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OVR、簡單的定位和搜索等。在智能相機中，以上算法都封裝成固定的模塊，用戶可直接應用而無需編程。

31：智能工業相機中網絡通信裝置起什么作用？

網絡通信裝置是智能相機的重要組成部分，主要完成控制信息、圖像數據的通信任務。智能相機一般均內置以太網通信裝置，并支持多種標準網絡和總線協議，從而使多臺智能相機構成更大的機器視覺系統。

32：從那幾個方面來比較工業相機的幾種接口？

以下是工業相機幾種接口的比較：

33：選擇工業相機時應注意什么？

1、根據應用的不同來決定是需要選用CCD 還是CMOS 相機CCD 工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機，當然隨著CMOS 技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS 工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD 工業相機比較多。 CMOS 工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

2、分辨率的選擇，首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA 輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業相機的分辨率高也是有幫助的。

3、與鏡頭的匹配，傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C 或CS 安裝座也要匹配（或者增加轉接口）；

4、相機幀數選擇，當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低；

34：如何設置工業相機中的“自動增益控制”功能？

工業相機內有一個將來自 CCD 的信號放大到可以使用水準的視頻放大器，其放大即增益，等效于有較高的靈敏度，然而在亮光照的環境下放大器將過載，使視頻信號畸變。當開關在 ON 時，在低亮度條件下完全打開鏡頭光圈，自動增加增益以獲得清晰的圖像。開關在 OFF時，在低亮度下可獲得自然而低噪聲的圖像。

35：如何來選購圖像采集卡？

在選購及使用圖像采集卡時，需要考慮的兩個關鍵性的因素為：硬件的可靠性以及軟件的支持。在其它條件都同等的情況下，一塊復雜具有更多器件的卡會比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設計會采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可編程器件以減少電子器件的數量，而達到更高的功能。還可以選擇具有更少的無用功能的卡以減少不必要的麻煩。過壓保護是可靠性的一個重要指標。接近高壓會在視頻電纜產生很強的電涌，在視頻輸入端和I/O 口加過壓保護電路可保護采集卡不會被工業環境電磁干擾會產生的高壓擊穿。選擇采集卡的同時還必須考慮此視覺系統要選用的軟件與采集卡是否兼容，是否使用方便，其軟件是否要求付費等。

36：高速工業相機與一般工業相機相比有哪些優勢？

1. 高速實時無壓縮圖像記錄，實時顯示，設定速度回顯；

2. 系統采用直接將數據寫入硬盤的記錄方式，解決了傳統內存記錄方式記錄時間短的問題，同時解決了傳統采集；

系統傳輸速度受PCI 總線帶寬限制的問題；

3. 保證100%不丟幀，解決了傳統內存記錄方式易丟幀、缺乏斷電保護等問題；

4. 系統獨立工作，幾乎不占用計算機資源，可靠性高；

5. 一套系統中可支持多塊板卡和相機，同時對多個目標進行跟蹤記錄；

6. 支持多種外部信號的疊加融合；

7. 支持多種圖像格式，有多種軟硬件外觸發功能；

8. 軟件接口簡單，便于二次開發和實時處理。

37：紅外相機有哪些類別？

紅外相機主要近紅外相機、短波紅外相機、高速紅外相機、中波紅外系列相機、基于DSP長波紅外系列相機有下幾類；

38：如何來提高工業相機的靈敏度？

工業相機的靈敏度是可以通過設置工業相機的以下功能來實現的：