preface

  相机的选择不仅直接决定所采集到的图像的分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。

一、相机分类

分类方式	相机名称	特点概要
成像过程	传统/胶片相机	景物成像聚焦在胶片上，形成的像是实像
	数码相机	景物成像聚焦在CCD或CMOS上，光信号转换为电信号，再经过DSP等处理成数字图像，存储在相机存储介质中。
芯片类型	CCD相机	感光元件为电荷耦合元件
	CMOS相机	感光元件是互补金属氧化物半导体
传感器结构特性	线阵相机	一行感光元器件，大视野，高分辨率情况下，系统较复杂，成本较高
	面阵相机	二维感光元器件，矩阵排列，直接输出为二维图像，直观，帧率限制
扫描方式	逐行扫描相机	一次扫描完成整幅图像
	隔行扫描相机	分为奇行和偶行，输出2张图片
分辨率大小	普通分辨率相机	单位英寸中包含的像素点数
	高分辨率相机
输出色彩	单色黑白
	彩色相机
输出信号速度	普通速度相机	扫描速度\帧率
	高速相机	一般指数字工业相机（应用于生产过程检测、制药、印刷、电子、电气制造等）
响应频率范围	可见光相机	白光谱段：380~780nm
	红外/紫外相机等	红外谱段：400-1700nm，紫外谱段：10-380nm

二、线阵相机

1、线阵相机特点

（1）线性感光原件，每次采集图像输出为一条线，1K， 2K， 4K， 8K等。
（2）适合高分辨率，高速运动以及曲面检测
（3）主要应用行业：高性能文件扫描、工业检测、色选机、光学字符识别、光谱学、条码扫描。
（4）感光芯片分为CCD和CMOS
（5）可分为彩色和黑白线扫相机
（6）分为单线、双线、三线以及棱镜分光等模式
（7）接口：Cameralink、网口
 

2、两种线阵相机对比

CCD线阵相机与CMOS线阵相机对比：

对比	CCD	CMOS
成像原理	相同	相同
灵敏度	等同面积下，较高	感光开口小，灵敏度低
信息读取方式	需要外部电路控制，复杂	直接读取电流（或电压）信号，简单
性能	图像质量较好，灵敏度高，噪声低，动态范围大，相应速度快	灵敏度低，信噪比相对较低，动态范围由像素大小决定，响应速度较快
工艺	针对图像运用已经成熟	有待进一步优化和改善

3、线阵相机性能参数

（1）像元尺寸（pixel size）：像元尺寸越大，相机的MTF越高，成像质量越好；
芯片尺寸= 像元尺寸 X 像元数
（2）积分时间：相机采集一行需要的曝光时间，单位一般是us
（3）相机行频（f）：f=1/t，相机1秒钟采集的最多行数，单位为Hz，行频越高，速度越快。
（4）动态响应范围（dynamic range）：一般为12比特，14bit，16bit，表示能区分的图像灰度等级，灰度等级越大，动态响应范围越大。
（5）灵敏度：nA/Lux，对应对最暗的光亮值时相机的响应灵敏性。
（6）光谱响应：对色彩的还原
（7）信噪比：DB，表现为对噪声的抑制能力，越大越好，成像质量越高。

4、线阵相机工作参数

横向分辨率（Hr） = FOV / 芯片像素数
纵向分辨率（Vr） = 传输速度（Speed）/ 行频
相机工作距离（WD） = (1 + 1 / Hr) X （镜头焦距）f

三、面阵相机

1、特点

（1）面型感光元件，每次采集图像输出为一帧图像，为横向和纵向像素的成绩，如1280X960，通常面阵大小500万，1200万等。
（2）适合面积、形状、尺寸、位置甚至温度的测量
（3）面阵相机的优点是可以直接获取二维图像信息，缺陷是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧率受到限制。
（4）感光芯片分为CCD和CMOS两种，可分为彩色和黑白线扫相机
（5）CCD面阵结构分为：帧转移性、全帧转移性和行间转移性
（6）CMOS面阵结构主要分为：无源像素传感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素传感器（Active Pixel Senso， APS）

2、面阵相机的工作特点

（1）曝光模式：全局快门（Global）、卷帘门
（2）扫描方式：逐行扫描、隔行扫描
（3）ROI：Multi-ROI
（4）分辨率：和焦距以及成像像素数有关
（5）多种数据输出接口形式：USB3.0,GigE,Mini Camera Link，Power over Camera link

3、面阵相机性能参数

对比	线阵相机	面阵相机
像元尺寸与像元数	单行方形像素	方形像素，行列像素数不同
积分时间	一行曝光时间	一帧曝光时间
相机频率	行频	帧频fps
动态响应范围	含义相同
光谱响应
面阵相机功能参数：
曝光模式：常亮
Binning输出：横纵binning
ROI输出：可选择ROI区域输出

4、面阵相机工作参数

（1）已知FOV H=80mm，V=100mm，传输速度speed=30m/min，针对JAIGO-2400M系列面阵相机计算横向（Hr）和纵向分辨率，以及最大积分时间（t）
计算公式：
Hr = FOV H / 横向像素数
Vr = FOV V / 纵向像素数
t < Vr / speed

5、相机数据接口

（1）RS-422：低压差分信号（2.4v），最高传输距离1200米
（2）LVDS：低压差分信号（350MV），最高400Mbps
（3）Channel Link：基于LVDS标准，并行数据串行化，最高1.8Gbps
（4）Camera link：基于Channel Link增加传输控制信号，并定义了接口传输标准，三种配置Base，Medium，Full，带宽高达5.4Gbps
（5）USB：通用串行总线，最长5米，目前USB3.0，带宽可达5Gbps。
（6）IEEE1394
（7）GigE：基于以太网通信协议，最远距离100米
（8）CoaXPress

四、相机选型步骤和规范

1、相机选型步骤

（1）FOV的确定，speed的确定，WD的确定
（2）确定线阵/面阵相机
（3）计算相机分辨率和芯片尺寸
（4）确定相机其他性能参数，综合数据接口/交期/维护等确定相机型号和供应商
（5）镜头参数计算和接口确定
（6）镜头其他性能参数确定（畸变率）等的确定
（7）综合价格、交期等因素，确定镜头型号和供应商

2、FOV的确定、speed的确定，WD的确定

  （1）确定工况环境的相机视野大小（mm）：涵盖待检品的最大尺寸规格
  （2）明确工况环境的待检物的输送/转动速度
  （3）明确（或测量得到）工况环境的相机可加装的物理空间高度

CCD和CMOS

  智能相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成，各部分的功能如下：
（1）图像采集单元，在智能相机中，图像采集单元相当于普通一样上的CCD/CMOS相机和图像采集卡，它将光学图像转换为模拟/数字图像，并输出至图像处理单元。
（2）图像处理单元。图像处理单元类似于图像采集/处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处理。
（3）图像处理软件。图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能，如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV.OCR、简单的定位和搜索等。在智能相机中，以上算法都封装成固定的模块，用户可直接应用而无需编程。
（4）网络通信装置，网络通信装置是智能相机的重要组成部分，主要完成控制信息、图像数据的通信任务。智能相机一般均内置以太网通信装置，并支持多种标准网络，从而使多态智能相机构成更大的机器视觉系统。