2.1 相机

工业相机又称摄像机（以下简称相机），相对于传统的民用相机而言，具有较强的图像稳定性、传输能力和抗干扰能力。

2.1.1 分类

1.按芯片类型分类：CCD相机、CMOS相机

（1）CCD相机

CCD相机集光电转换、电荷存储、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD相机的特点：以电荷为信号，不同于其他器件以电流或电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大、输出图像信号。CCD相机作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗，以及灵敏度高、抗强光、畸变小、寿命长、抗振动等优点。CCD相机主要由CCD芯片、时序产生电路模块、信号处理电路模块、电子接口等组成，如图2-2所示。

工作原理：被测物的图像经过光学镜头聚焦至CCD芯片上；时序产生电路模块提供水平驱动脉冲，帮助CCD芯片完成光电荷的转换、存储、转移和读取，并将光学信号转换为电信号输出；信号处理电路模块接收来自CCD芯片的电信号，并对脉冲进行采集、保持，以及自动增益控制、视频信号合成等预处理，将CCD芯片输出的电信号转换为需要的视频格式，即视频输出。

（2）CMOS相机

CMOS芯片的开发最早出现在20世纪70年代。随着超大规模集成电路（VLSI）的应用，CMOS芯片开发技术得到迅速提高。CMOS芯片将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模/数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，提高了CMOS芯片的集成度和设计的灵活性。目前，CMOS芯片以其低功耗、高速传输和宽动态范围等特点，在高分辨率和高速传输等场合得到了广泛应用。

CMOS相机主要由CMOS芯片、外围控制电路、数据采集处理模块组成，如图2-3所示。

工作原理：CMOS芯片可直接输出数字信号；大部分CMOS相机配有FPGA或DSP的数据采集处理模块，可直接对图像数据进行图像滤波、校正等预处理，并进行数据输出。

2.按传感器的结构特性分类：线阵相机、面阵相机

（1）线阵相机

线阵相机呈“线”状，如图2-4所示。只能在两种情况下使用线阵相机：

· 被测视野为细长的带状：线阵相机的典型应用领域是检测连续运动的物体，如金属、塑料、纸和纤维等。被测物通常呈匀速运动，利用一台或多台线阵相机对其进行逐行扫描，以达到对整个表面的均匀检测。

· 需要极宽的视野或极高的精度：线阵相机的传感器具有极高的分辨率，可以精确到微米。

线阵相机的优点是每行的像元数多（总像元数比面阵相机的总像元数少），并且像元尺寸多样、帧率高，特别适用于对一维动态目标的检测。

（2）面阵相机

面阵相机的应用范围较广，如面积、形状、尺寸、位置甚至温度等。面阵相机可以快速、准确地获取二维图像的信息，并且能够非常直观地测量图像。面阵相机的缺点是总像元数太多，每行的像元数比线阵相机的像元数少，帧率受到限制。面阵相机如图2-5所示。

3.按输出信号方式分类：模拟相机、数码相机

（1）模拟相机

模拟相机输出的信号形式为标准的模拟量视频信号，需要通过专用的图像采集卡将模拟量视频信号转化为计算机可以处理的数字信号，以便对视频信号进行处理与应用。模拟相机的优点是通用性好、成本低；缺点是分辨率低、采集速度慢，并且在图像传输中容易受到噪声干扰，导致图像质量下降，所以大多用在对图像质量要求不高的机器视觉系统中。其视频输出接口的形式主要为BNC、S-VIDEO等，所搭配的机器视觉主机大多采用“工控机+视频采集卡”的形式，整机成本较高。目前，在主要的高清机器视觉应用场景中，模拟相机的使用越来越少。

（2）数码相机

数码相机，顾名思义，其相机的视频输出信号为数字信号。数码相机的内部集成了A/D转换电路，可直接将模拟量的图像信号转化为数字信号，具有抗干扰能力强、视频信号格式多样、分辨率高、视频输出接口丰富等特点。其视频输出接口主要为IEEE 1394、USB 3.0、GigE（千兆网口）等。

4.按输出色彩方式分类：黑白相机、彩色相机

（1）黑白相机

黑白相机将光信号转换成图像灰度值，生成的图像为灰度图像。灰度图像只包含亮度信息，不含色彩信息。在计算机中，一个字节为8位，所以，灰度图像可以包含256（28=256）个信息。

（2）彩色相机

彩色相机可以将三原色的光信号进行转换，输出的是彩色图像，一般情况下，可以表示16 777 216种颜色（256×256×256=16 777 216），这种情况称为全彩色图像。

2.1.2 关键参数

1.芯片尺寸

芯片尺寸表示图像传感器感光区域的面积大小，直接决定了整个系统的物理放大率。相机的芯片尺寸如图2-6所示。

2.分辨率

分辨率表示每英寸包含的像素数。对于图像来说，分辨率是非常重要的，决定了图像是否能够清晰地呈现：相机的分辨率越高，成像后对细节的展示就越明显。

相机分辨率的高低，取决于相机中CCD芯片上的像素数量：CCD芯片上的像素数量越多，相机的分辨率就越高。例如，相机的像素为30万，则其分辨率为640×480（640表示在X方向的像素数；480表示在Y方向的像素数）。分辨率的示意图如图2-7所示。若视野为640mm×480mm，相机的像素为640×480，则通过公式“定位精度=视野/相机的像素”可知，X方向的定位精度为1mm，Y方向的定位精度为1mm。

3.像元尺寸

像元尺寸表示相机芯片上每个像元的实际物理尺寸。通过选择大的像元尺寸可弥补图像亮度的不足。常见的像元尺寸有3.45μm、3.75μm、4.4μm、4.8μm、5.8μm、7.4μm等。例如，若采用1/3inch的芯片，在一定条件的制约下，由30万像素的相机采集的图像亮度仍然不能达到要求，此时可以考虑使用1/2inch芯片，从而提高图像的亮度。

4.帧率

帧率表示图像处理器在1s内能够采集图像的数量。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。一般来说，帧率应大于30fps，若将性能提升至60fps，则可以明显提升交互感和逼真感；若帧率超过75fps，则不易察觉到是否提升了流畅度（如果帧率超过监视器的刷新率，监视器不能以这么快的速度刷新，则超过刷新率的帧率就被浪费了）。所以，在实际应用中，应合理选择与应用目标相匹配的帧率。

2.1.3 接口

相机是机器视觉的采集设备，需要与图像处理设备连接，并将采集到的图像数据传输给图像处理设备。相机接口分为模拟接口与数字接口：模拟接口的数据传输速度慢，稳定性和精度较低；数字接口为目前的主流技术，常用的数字接口包括USB 2.0、USB 3.0、IEEE 1394a、IEEE 1394b、GigE、Camera Link、CoaXPress等。

· USB 2.0接口具有传输速度快、支持热插拔、携带方便、标准统一，以及可连接多个设备的特点，已广泛应用在各类外部设备中。USB 2.0的传输速率可以达到480Mbps，并且可以向下兼容USB 1.1。

· USB 3.0接口极大地提高了带宽（传输速率高达5Gbps），能够更好地实现电源管理，以及使主机为设备提供更多的功率输出、更快地识别器件和处理数据。

· IEEE 1394a、IEEE 1394b接口俗称火线接口，主要用于视频采集，其数据传输速率可达400Mbps（IEEE 1394a）和800Mbps（IEEE 1394b）。IEEE 1394a、IEEE 1394b接口利用等时性传输，可保证传输的实时性，具有便于安装、即插即用的特点。

· GigE是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口，其数据传输速率较快，传输距离最远可达100m。GigE允许用户在很长的距离内利用标准线缆进行图像的快速传输，可在不同厂商的软、硬件之间轻松实现切换操作。

· Camera Link是在Channel Link技术的基础上增加一些传输控制信号，并定义了一些相关传输标准的接口。任何具有Camera Link标志的产品均可方便地连接。其抗干扰性强，并且传输速率高达5.4Gbps。

· CoaXPress是一种非对称的、高速点对点的串行通信数字接口。该接口具有如下特点：允许设备（如数码相机）通过单根同轴电缆连接到主机（如计算机中的数据采集设备），并以高达6.25Gbps的传输速率传输数据（4根线缆可达25Gbps）；传输距离可超过100m（在不使用集线器和中继器的情况下），可实现低延迟的实时数据传输；使用的线缆材料稳定（可以使用标准的同轴电缆），如RG59和RG6；可在一根电缆上实现视频传输、串口通信控制和供电；支持热插拔。

不同相机接口的性能指标对比如表2-1所示。