机器视觉技术与应用实战 第三章 工业相机

《机器视觉技术与应用实战》机器视觉系统一般由光源、镜头、工业相机、图像处理单元、通信输入输出等单元组成。相机作为机器视觉系统中的关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变为有序的电信号从而形成图像输出，以便视觉软件处理。相机在工业应用场景中称为“工业相机”，它不同于普通相机的地方在于，它是工业级的产品，每周7天、每天24小时工作，稳定性和可靠性要高。如下图就是一款工业相机的外形。《机器视觉技术与应用实战》什么是工业相机工业相机如何分类《机器视觉技术与应用实战》任何东西分类一定有它自己的分类标准，工业相机也不例外，工业相机按照芯片类型、传感器结构特性、扫描方式、分辨率大小、输出信号方式、输出色彩、输出信号速度、响应频率范围等有着不同的分类方法。1、按照芯片类型：可以分为CCD相机、CMOS相机；2、按照传感器的结构特性：可以分为线阵相机、面阵相机；3、按照扫描方式：可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；4、按照分辨率大小：可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；5、按照输出信号方式：可以分为模拟相机、数字相机；6、按照输出色彩：可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；7、按照输出信号速度：可以分为普通速度相机、高速相机；8、按照响应频率范围：可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。相机成像原理《机器视觉技术与应用实战》传感器是相机的核心部件，目前相机常用的感光芯片有CCD（Charge

Coupled

Device电荷耦合器件）和CMOS

（Complementary

Metal

Oxide

Semiconductor互补金属氧化半导体）两类。CCD感光芯片：把光线转变成电荷，用电荷量表示信号大小，用耦合方式进行传送，所有的电荷全部经过一个

“放大器”进行电压转变，形成电子信号，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS感光芯片：和CCD原理基本一样，只是处理光电转换的方法不一样，其每一个像素点都有一个单独的放大器转换输出，能够在短时间内处理大量数据。《机器视觉技术与应用实战》1、CCD传感器芯片CCD传感器是一种新型光电转换器件，光电效应能使半导体元件表面产生电荷，所有的电荷全部经过一个

“放大器”进行电压转变，形成电信号，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内做定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。常用CCD的三种结构如下。常用CCD的三种结构全帧转移行转移帧传输《机器视觉技术与应用实战》（1）全帧转移（Full

frame

）感光区和储存区在一起，即感光单元也是电荷寄存器，如图3.2。优点是填充因子(fill

factor)可达到100%，传感器灵敏度高。缺点是由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分曝光时间比下面的长这会造成

Smear（漏光）现象。通过使用机械快门、使用频闪灯的方法，或者使曝光时间远远大于读出时间，以尽量减少

漏光。图3.2全帧转移示意图《机器视觉技术与应用实战》（2）帧传输（Frame

transfer）感光区和存储区完全分开，且大小相等，如图3.3所示。优点是填充因子(fill

factor)可达到100%，在读出过程中，可对下一帧曝光。在曝光时间较长的情况下，Smear现象比Full

Frame

Array

Sensor小很多。缺点是需要两个

Sensor，成本高。图3.3帧传输示意图《机器视觉技术与应用实战》（3）行转移（Interline

Transfer）单个像素面积中包含了感光区和存储区，如图3.4所示。优点是转移时间非常短，约为1us，因此不会出现Smear现象，不需要使用机械快门或闪光灯。缺点是由于屏蔽区占用了Sensor的部分面积，因此使得此种传感器填充因子只能在20%~70%。添加微透镜可以增加填充因子。《机器视觉技术与应用实战》图3.4行转移示意图每一个像素点都有一个单独的放大器转换输出，能够在短时间内处理大量数据。在每个像素单元中，除感光部分外，还有放大器和读出电路部分，整个CMOS传感器还集成了寻址电路、放大器和A/D，如图3.5所示。《机器视觉技术与应用实战》图3.5

CMOS传感器工作原理示意图CCDCMOS设计单一感光器，电荷耦合器件感光器连接放大器，互补金属氧化物半导体成本质量要求程度高成本高CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高低、新技术噪声单一放大，噪点低百万放大、噪点高功耗需要外加电压，功耗高直接放大、功耗低灵敏度同样面积下高感光开口小，灵敏度低信息读取方式光电荷电流电路需要外加电路（三路电源）单一电路优点声噪低、分辨率高、动态范围大、颜色还原好、灵敏度高、对比度高功耗小；传输速度快；价格低；集成度高、体积小；帧率更高；片上数字化、含片上处理功能；没有Blooming现象；直接访问单个像素；高动态范围（120dB）缺点功耗大、传输速度慢、成本高、结构复杂、尺寸难做等；噪声高、分辨率低、光敏性小、颜色还原差、一致性差《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》相机的靶面尺寸也叫做感光芯片尺寸或者传感器尺寸，图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3

(H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1英寸，2/3英寸，1/2英寸，1/3英寸，1/4英寸等，如图3.6所示。相机靶面尺寸相机的分辨率是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：

1920（H）x

1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。《机器视觉技术与应用实战》由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面之帧率高于16fps的时候，就会认为是连贯的，此现象称之为视觉暂留。这也就是为什么电影胶片是一格一格拍摄出来，然后快速播放的。通常面阵相机用帧率表示，单位fps（Frame

PerSecond），它是用于测量显示帧数的量度。所谓的测量单位为每秒显示帧数(Frames

per

Second)，简称：FPS或“赫兹”（Hz）。如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集

30帧图像；《机器视觉技术与应用实战》快门速度（Shutter

Speed）快门速度就是控制曝光时间。传统的照相机是通过机械快门对照射在底片上的光进行遮光动作实现曝光控制。在CCD或CMOS相机中是利用电子快门实现曝光控制。照射在传感器上的光不断发生光电转换，电子快门的原理是只储存一定曝光时间的信号电荷，然后进行输出。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒，这个速度是可以设定的，时间与图像亮度成正比。•卷帘快门（Rolling

Shutter）：多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。•全局快门（Global

Shutter）：CCD传感器和越来越多的CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。《机器视觉技术与应用实战》帧曝光（global

shutter）：传感器阵

列中所有像素同时曝光，曝光周期由预

先设定的快门时间确定，拍摄运动物体，图像不会偏移，不会失真。行曝光（rolling

shutter）：同一行上的像素同时曝光，不同行的曝光起始时

间不同，每行的曝光时间是相同的，行

间的延迟不变，适用于拍摄静止的物体，拍摄运动物体时，图像会偏移。曝光方式相机的快门速度和曝光方式是决定图像亮度和质量的重要参数。《机器视觉技术与应用实战》曝光方式帧曝光和行曝光都是针对面阵相机而言的，一般只有CMOS的芯片分帧曝光和行

曝光，帧曝光是整个芯片同时曝光，所以拍摄运动的物体不会产生变形；行曝光的芯片是一行一行曝光的，由于所有行不能同时曝光，所以拍摄运动的物体会产生变形。拍摄静止的物体两者没有差别增益:相机的模拟信号可以被放大，当模拟信号过于弱小而导致成像质量很差时可以对其模拟信号进行放大进而改善效果。而所谓的相机增益便是放大倍数，工业相机不同增益时图像的成像质量不一样，增益越小，噪点越小；增益越大，噪点越多，特别是暗处。白平衡：是一个很抽象的概念，最通俗的理解就是让白色所成

的像依然为白色，针对彩色相

机，白平衡就是针对不同色温

条件下，通过调整摄像机内部

的色彩电路使拍摄出来的影像

抵消偏色，更接近人眼的视觉

习惯。《机器视觉技术与应用实战》源图像蓝色色值过低红色色值过低触发：一般工业相机都内置了物理IO，通过IO触发相机拍照取图的方式叫做相机硬件触发。软件触发：通过取图软件或者视觉处理软件触发相机拍照取图的方式叫做相机软件触发。相机支持两种输出模式：连续和触发。连续模式下，相机将输出动态图。触发是一种被动模式，触发模式下，相机进入准备状态，触发信号产生后，相机开始曝光，输出图像，相机分两种触发模式，即硬件触发和软件触发。《机器视觉技术与应用实战》30万像素130万像素200万像素500万像素1000万像素2000万像素656（H）×492（V）1292（H）×964（V）1628（H）×1236（V）2592（H）×1944（V）3840（H）×2748（V）5120（H）×3840（V）《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》USB2.01394A1394BCameraLinkGigEUSB3.0速度48MB/s32MB/s64MB/s600MB/s100MB/s400MB/s距离5M4.5M10M10M100M5M优势易用价格低多相机易用，价格低，多相机传输距离远，实际线缆可达到17.5m，光纤传输可达100m有标准DCAM协议CPU占用最低带宽高有带预处理功能的采集设备3.抗干扰能力强易用，价格低，多相机传输距离远，线缆价格低标准GigE

Vision协议易用价格低多相机传输速度快缺点无标准协议CPU占用高长距离传输线缆价格稍贵价格高线中不带供电CPU占用稍高对主机配置要求高有时存在丢包现象线长受限《机器视觉技术与应用实战》相机接口指的是相机与计算机的通信接口，相机接口用的较多的有USB接口、1394接口、千兆网和

CameraLink等。选择相机接口主要根据信息的传输速率，还应考虑稳定性（工作环境对相机的影响），下表

3.2所示为几种常见的接口的样式。现在市场上已经出现万兆网口相机了。表3.2常见的接口样式《机器视觉技术与应用实战》GigE

Vision与标准千兆以太网相机的区别：GigE

Vision与标准千兆以太网相机在硬件架构上基本完全一样（对网卡的要求有微小区别），只是在底层的驱动软件上有所区别。它主要解决标准千兆网的两个问题：•数据包小而导致的传输效率低。标准千兆网的数据包为1440字节，而GigE

Vision采用所谓的“Jumbo

packet”,其最大数据包可达16224字节。•CPU占用率过高。标准千兆网采用TCP/IP协议，在部分使用DMA控制以提高传输效率的情况下，可做到82MB/s时CPU占用率15%。GigE

Vision驱动采用UDP/IP协议，采用完全的DMA控制，大大降低了CPU的占用率，在同等配置情况下可做到

108MB/s时CPU占用率为2%。《机器视觉技术与应用实战》相机取图是指相机拍摄的图像传输到控制器，以便软件处理。根据相机不同接口，在通信上需要不同的协议，有USB通信协议、1394通信协议等，目前市面上用的最多还是Gige千兆网口，以此为案例介绍它的协议：千兆网视觉标准GigE

Vision包含了下面四种技术内容：•The

GigEVisionControl

Protocol(GVCP)，运行在UDP

IPv4协议上，定义了如何控制和配置如摄像头等兼容设备，定义流通道，并且提供摄像头发送图像，传输数据到计算机的控制。•The

GigE

Vision

Stream

Protocol(GVSP)，定义数据类型并且详细描述图像如何通过千兆网传输。•The

GigE

Device

Discovery

Mechanism(GDDM)，定义工业摄像头或者其他兼容设备如何获取IP地址。•基于GenICam标准的XML描述文件，提供等效于计算机可以读取的数据表文件，实现工业摄像头控制和图像流获取。GigE

Vision视觉标准:优势特点概览带宽可达到1000Mbps，图像可以无损失实时传输。在图像无损失的情况下，最远可传输100米,传输效率高。标准的网络连接器，电缆线成本低。带宽易于升级，包括10M,100M,1000M，10000M等，在工业机器视觉中将被广泛应用。通信控制方便、软硬件互换性强、可靠性高。GigE

Vision标准委员会的主要成员都是国际知名的图像系统软硬件提供商。《机器视觉技术与应用实战》1、明确客户需求首先确定是动态检测还是静态检测，如果是运动检测，则需确定检测物体的运动速度；其次要确定相机要观测的视野大小，确定检测产品的精度要求。2、根据客户需求确定硬件参数硬件的相关参数会影响其性能，因此在确定硬件类型前要先确定其相关参数。3、确定色彩要求工业相机分彩色与黑白两种，两者之间存在差异，彩色相机的清晰度相对较低，黑白相机的灵敏度相对较低。只有在需要检测颜色信息的场合，如医学电子目镜、彩色印刷品检测等场合，才需要使用彩色相机，其他的如文字识别、尺寸测量等，一般选用黑白相机。特殊情况：有一些检测场合不需要检测颜色信息，但因为检测物体是彩色的，而且目标和背景的灰度级接近，这时，如果使用黑白相机，则对比度不强烈，而使用彩色相机，可以通过设置不同的RGB增益，起到增强对比度的效果。这时，会选择彩色相机。《机器视觉技术与应用实战》4、确定精度要求相机的像素大小（多少）是指相机的分辨率，我们所说的130万象素相机的分辨率为1280*1024，如果客户

对检测的精度有要求的话，我们就必须选择一种合适的分辨率的相机，因为检测的精度和相机分辨率、检测视场的大小是密切相关的。确定了视场和精度后可以根据以下公式来选择相机的分辨率：分辨率=视场/精度，精度=视场/分辨率。•X方向系统精度(X方向像素值)=视野范围(X方向)/CCD芯片像素数量(X方向)；•Y方向系统精度(Y方向像素值)=视野范围(Y方向)/CCD芯片像素数量(Y方向)。5、相机芯片的选择同等分辨率的情况下，CCD的成像效果要比CMOS好一些，价格也要贵上很多，越高分辨率的CCD价格则是越贵，所以在精度要求不是那么高的情况下可选择CMOS相机，在个别精度要求很高的条件下则是CCD相机。实际上近年来，得益于根本性的新发展，COMS也赶上了CCD芯片。凭借高速（帧速率）、高分辨率（像素数）、低功耗以及新改良的噪声指数、动态范围、量子效率及色彩概念等各方面优势，CMOS芯片逐渐在由CCD芯片统治的领域里取得了一席之地，所以在考虑性价比的情况下，还是选用CMOS相机较为合适。《机器视觉技术与应用实战》1、大恒图像水星相机水星(MERCURY)家族的MER-G-P系列数字相机是由大恒图像自主研发的GigE

PoE接口数字相机，支持Power

over

Ethernet

(PoE，兼容IEEE802.3af标准)，安装、使用方便。该系列相机性能出色、外壳小巧、性价比高，提供多种分辨率、帧率的型号，并配备有各大领先制造商生产的CCD或CMOS感光芯片可供选择。

MER-G-P系列相机集成I/O

(GPIO)接口，提供线缆锁紧装置，能稳定工作在各种恶劣环境下，是高可靠性、高性价比的工业数字相机产品，适用于工业检测、医疗、科研、教育及安防等领域，如图3.7所示。《机器视觉技术与应用实战》图3.7水星相机2、德国Basler相机Basler

ace系列设计小巧、价格实惠、颇具成效，该系列不但具有卓越的品质和出色的性能，并且经济实惠。相机外壳小巧，提供29mm*29mm*44mm以及30mm*4mm*44mm两种外形尺寸：ace系列正是凭借这些优点跻身热卖相机系列的行列，让成千上万的用户满意。ace系列共有150多种相机型号，是市面上产品线最丰富的工业图像处理相机系列之一，如图3.8所示。图3.8

Basler相机《机器视觉技术与应用实战》3、视觉龙VDC相机视觉龙的VDC相机超小尺寸29*

29*

29MM，支持曝光完成事件通知功能，增益、曝光时间、白平衡可编程设置。支持查找表、参数组功能。可输出多种格式图像数据：MONO08，MONO12，BAYER

RG8，BAYERRG1。支持输出闪光灯同步信号实施曝光和补光的精确同步。彩色相机提供颜色校正功能，提高采集图像的色彩还原度。可直接连接DragonVision等第三方软件，如图所示。《机器视觉技术与应用实战》工业相机的选型一定要读懂相机文档手册，以便根据技术要求合理选择工业相机。以视觉龙VDC相机举例，如图所示。选型图表：读者如需详细了解选型资料可用微信扫上面二维码如VDC-M030-A120-E：表示像素为30万，帧率为120fps，GigE-PoE接口，支持网卡供电的黑白相机。感光芯1/4英寸CCD芯片（图表信息解读）。《机器视觉技术与应用实战》图像采集卡是将模拟相机的图像信号经过A/D转换，或将数字相机的输出信号，通过计算机总线传输到计算机内存或显存，使计算机能对相机拍摄到的现场图像进行实时处理、存储和显示的硬件设备,如图所示。采集卡从视频信号源和采集卡的接口来可分为两大类：模拟采集卡和数字采集卡。数字采集卡通过数字接口，以数字对数字的方式，将数字信号无损地采集到PC中，其视频信号源主要来自一些数字化设备。数字采集卡与模拟采集卡的一个重要区别是：使用数字采集卡，在采集的过程中视频信号没有损失，可以保证得到与原始视频一模一样的效果，而使用模拟采集卡则视频信号会有一定的损失。《机器视觉技术与应用实战》图3.11图像采集卡示意图以型号PC2-Camlink图像采集卡为例，介绍其产品特点：PC2-Camlink图像采集卡是低成本应用的理想选择。PC2-Camlink支持一台单色面阵或线阵BaseCameraLink™相机。连接相机电缆和外触发信号后，PC2-CamLink板载的状态LED显示所有信号的状态和活跃度。为了进一步简化设置，PC2-Camlink直接为相机提供供电（5V或12V）。产品特点：•可改变采集帧长度•支持无限的帧垂直长度（8K像素×无限行数）•支持带时钟节拍的轴编码器•采集状态可视化•独立的2个光耦隔离/TTL和2个LVDS触发输入《机器视觉技术与应用实战》习题与思考《机器视觉技术与应用实战》本章主要介绍了工业相机的成像原理，工业相机的基本参数，分类等基础知识，还介绍了相机选型，同时介绍了三种品牌的相机与VDC相机的识别以及图像采集卡的一些知识。通过本节的学习，了解什么是工业相机，明确相机的分类，主要参数和应用。1、相机的主要作用是什么？主要功能是将光信号转换成电信号

2、相机的曝光方式有哪些？行曝光和帧曝光3、工业相机的接口有哪几种？USB2.0、1394A、1394B、Cameralink、Gige、USB3.04、工业相机芯片尺寸常见有哪几种？1英寸，2/3英寸，1/2英寸，1/3英寸，1/4英寸《机器视觉技术与应用实战》面阵相机是以面为单位来进行图像采集的，每次采集的都是一幅矩阵图，一般情况下，工业相机按照芯片类型可以分为CCD相机和CMOS相机。相机按照应用可以分为普通产品和高端产品，1000万像素以下为普通产品，1000万像素以上为高端产品，其应用面较广，可用于面积、形状、尺寸、位置等信息的测量和一维码，二维码，OCR等信息的读取。《机器视觉技术与应用实战》面阵相机像源阵列排列，实现的是像素矩阵拍摄。阵列中的每个感光单元对应一个像素，被拍摄的目标的一个面被成像，相机拍摄图像中，目标与相机之间可以是静止的，也可以是相对运动的，可以在短时间内曝光、一次性获取完整的目标图像，具有测量图像直观的优势，常应用于测量目标物体的形状、尺寸等信息，如图所示。面阵相机工作原理《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》《机器视觉技术与应用实战》像素图片的组成单位，芯片想对应像元产生的图片信息，对应在图片上称为像素。如下图所示最后一幅图中红色框中的格子。《机器视觉技术与应用实战》传感器尺寸指传感器芯片的尺寸大小，传感器尺寸大小主要取决于制造工艺，一般有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等规格。分辨率分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1280（宽）x

960(高)，前面的数字表示

每行的像元数量，即共有1280个像元，后面的数字表示像元的行数，即960行，也就是最常见的130W相机。线阵相机的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048)，4K(4096)等。在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。《机器视觉技术与应用实战》面阵相机的主要参数帧率相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，即相机每秒钟采集多少幅图像。面阵相机通常用帧频表示，单位fps（Frame

Per

second），如30fps，表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线阵相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。像元尺寸像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um,7um,6.45um,3.75um等，尺寸大小主要取决于制造工艺。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能

力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征《机器视觉技术与应用实战》面阵相机的主要参数（5）像元深度数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗而255代表全亮。介于0和25之间的数字代表一定的

亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶而12bit有

4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需

要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者

12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。思考：分辨率与灰度等级的又如何区分？《机器视觉技术与应用实战》面阵相机的主要参数触发方式指相机采集图像的方式，一般有软件触发和硬件触发。镜头接口法兰距：安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点（焦点/传感器平面）之间的距离；1

in=25.4mm（一）C口：法兰距为17.526mm，安装螺纹为：直径1in，32牙/in（二）CS口：法兰距为12.526mm，安装螺纹为：直径1in，32牙/in（三）F口：法兰距为46.5mm，槽44/48mm（四）U口：法兰距为12mm,安装螺纹为M42*1.0（五）Mxx口：Mxx

*

0.75(如M58

*

0.75)（六）使用一个C/CS

5mm接圈，即可将CS口转成C口《机器视觉技术与应用实战》面阵相机的主要参数数据传输接口指数据传输的硬件接口，目前主要是Gige接口相机、USB接口相机、1394接口相机和CameraLink接口相机动态范围相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB或Bit等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。光谱响应指相机对不同波长的光线的响应能力。因此相机可分为：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。《机器视觉技术与应用实战》面阵相机的主要参数（11）噪声工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。根据欧洲相机测试标准

EMVA1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计

涨落噪声，也叫散粒噪声（shot

noise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方=信号的均值）。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。《机器视觉技术与应用实战》（12）信噪比相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，图像质量越好。《机器视觉技术与应用实战》线阵相机顾名思义是呈“线”状的。线阵相机是一类特殊的视觉机器，将二维光学图像转变为一维视频信号输出，与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为发展趋势。虽然也是二维图像，但极长。几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。在第二种情况下（需要极大的视野或极高的精度），就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。面阵相机感光芯片《机器视觉技术与应用实战》线阵相机感光芯片线阵相机是以线为单位来进行图像采集的，每次采集的都是一条线，然后再进行合成为一幅图像。线阵相机单行的像素很高，加上行频很高，适合高精度或运动的连续拍摄。感光单元排列是一维的，每次曝光仅是目标上的一条线被成像，形成一行图像，随着目标物体与相机之间的相对运动，相机连续曝光，最后形成一幅二维图像。幅面宽，像元尺寸较灵活，行频高，常应用于一维动态目标的测量，如需要极大的视野或极高的精度或被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。《机器视觉技术与应用实战》线阵CCD扫描测量系统主要由线阵CCD相机、运动工作台、控制电路及线光源等组成。被测零件放置于运动工作台上，随工作台一起以速度v向右方行进，零件未进入相机视场视场时，线光源所发射光线直接通过光学成像系统成为一帧灰度值较高的背景图像，当零件进入相机视场时，零件遮挡光线使得采集图像含有零件轮廓信息，将所有输出图像按采集的先后关系进行拼接，即可得到完整的高分辨率零件图像。线阵相机工作原理《机器视觉技术与应用实战》1、线阵相机的特点数据传输速率高：线扫描相机在对高速运动物体进行拍摄的时候所需要实现的smear输出并不需要通过附加额外的快门，所以线扫描相机就具有更加高的数据传输速率了，对于高速检测的应用更加适合了，现在工业生产上的流水线能够更好地满足物体测量、监控和检测的需求。高分辨率：线扫描相机可以拥有多个K单位像素，所以分辨率非常高，非常适用高精度检测测量应用，同时还适用于连续运动物体成像的应用，其测量可以精确到微米。线扫描相机动态范围非常的大，灵敏度也非常的高，对于工业检测项目中需要大幅面视场的要求非常合适。《机器视觉技术与应用实战》2、线扫相机目标应用主要应用有：印刷制品、大型玻璃、粮食色选、LCD面板检查、PCB检查、钢铁检查、烟草行业、纺织行业等。这些产品共同的特点是：幅面较宽、速度快、精度高、流水线上产品连续性高。《机器视觉技术与应用实战》3、如何构建线阵相机检测系统《机器视觉技术与应用实战》线阵相机检测系统组成硬件：处理器（如工控机）、线阵相机、线扫镜头、CameraLink卡、线扫光源、编码器信号、取图触发信号等。软件：如视觉龙的龙睿Dragon

Vision系统。（2）线阵相机检测系统硬件选型工控机选型：由于线扫描信息量大，所以需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和硬盘。3、如何构建线阵相机检测系统《机器视觉技术与应用实战》（3）线阵相机选型第一步：计算分辩率。被检物体宽度（与运动方向垂直）除以最小检测精度得出每行所需要的像素值。第二步：计算实际精度。根据上面像素值选择相机，然后用被检物体宽度除以像素数得出实际检测精度。第三步：计算每秒扫描行数，也就是线扫描速率。每秒运动速度长度除以精度得出每秒的扫描行数。例如被检物体宽度为160mm、精度0.1mm、运动速度2200mm/s，相机分辨率：160/0.1＝1600像素应为2000像素左右，先选定为2K相机实际精度为：160mm/2048像素＝0.08mm，线扫描速率：

2200mm/0.08mm＝27.5KHz。所以应选定相机为线扫描速率大约为28kHz的2K相机。3、如何构建线阵相机检测系统《机器视觉技术与应用实战》（4）线扫镜头选型由于线阵相机的芯片长度比较长，精度较高，所以一般不能选用普通的C接口镜头。根据相机的镜头接口不同，需要各种转接环进行转接。（5）图像采集卡的选择首先要判断相机能支持的模式，CameraLink的基础采集模式有Base、Medium和Full三种，也有高速的接口比如HSLINK模式，那我们在选择卡的时候就要支持这几种模式的卡，比如相机需要用Full模式，那么采集卡也需要能支持Full模式。3、如何构建线阵相机检测系统《机器视觉技术与应用实战》（6）线扫光源选型线扫描项目中，常用的光源有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。卤素灯也叫光纤光源，特点是亮度特别高，但缺点也很明显，寿命短，只有1000-2000小时左右，需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡，通过一个专门的光学透镜和分光系统，最后通过光纤输出，光源功率很大，可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的且色温稳定，适合用于对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。用于线扫描的卤素灯，常常在出光口加上玻璃聚光镜头，进一步聚焦提高光源亮度。对于较长的线光源，还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，特点是适合大面积照明，亮度较高，成本低。但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率（对线扫描相机来说就是行扫描频率），消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。3、如何构建线阵相机检测系统《机器视觉技术与应用实战》LED光源是目前主流的机器视觉光源，特点是寿命长，稳定性好，功耗非常小。直流供电，无频闪。专业的LED光源寿命非常长。（如大多数国产光源的寿命50000小时亮度不小于50%）亮度也非常高，接近卤素灯的亮度，并且随着LED工艺的改善不断提高。（目前一般线光源亮度高达

90000LUX）可以灵活地设计成不同结构的线光源，如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源。有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同被测物体的表面特征和材质，选用不同颜色也就是不同波长的光源，获得更佳的图像。（7）编码器信号和触发信号线阵相机的成像原理是相机与被拍摄的物体之间有相对匀速的运动，相机固定的情况下，对运动的机构匀速性要求很高。目前来看，能达到相机采集精度的这种机构并不是很多，这个时候就要采用编码器触发的方式进行接线，编码器的作用是在平台的运动过程中出现不匀速的情况下，使相机拍出的图像不会拉伸或者压缩。无论是面阵还是线阵相机，它们都与检测内容，制造工艺等息息相关，所以其分类也基本大致相同：按照芯片类型分：有CCD和CMOS两种。线阵图像传感器以CCD为主，市场上曾经也出现过一些线阵CMOS图像传感器，但是，线阵CCD仍是主流。按照图像颜色分：单色和彩色。线阵图像传感器分为单色和彩色两种，因此线阵相机也分为单色和彩色两种。按照扫描线可以分给单线、双线、三线、多线等类型。按照相机接口分：Gige、CameraLink、Hslink。市场上目前还是以Gige和CameraLink为主流，高速的相机需要用HSlink。重要的参数有：像素数（resolution）、相机时钟（MAX

DATA

RATE）、行频（

Linerate）等。《机器视觉技术与应用实战》线阵CCD获取图像的方案在以下几方面有其特有的优势：线阵CCD加上扫描机构及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的面阵CCD；扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵CCD像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵CCD获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵CCD图像；最新的线阵CCD亚像元的拼接技术可将两个CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1/2个像元，相当于将第二片CCD的所有像元依次插入第一片CCD的像元间隙中，间接“减小”线阵CCD像元尺寸，提高了CCD的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小CCD像元尺寸的难题，在理论上可获得比面阵CCD更高的分辨率和精度。《机器视觉技术与应用实战》1、计算分辩率2、计算实际精度3、计算每秒扫描行数《机器视觉技术与应用实战》本章主要介绍了面阵相机的工作原理，以及面阵相机的特点、应用领域和面阵相机的基本参数等内容。还介绍了线阵相机的工作原理，线阵相机的特点，应用领域，线阵相机的分类与优势等基础知识，如何构建线阵相机检测系统。通过本节的学习，了解什么是线阵相机，明确线阵相机的分类，主要参数和应用。线阵相机的应用领域？线阵相机的选型注意事项有哪些？线阵相机有哪些分类？习题与思考《机器视觉技术与应用实战》1、面阵相机的工作原理是什么？2、面阵相机的应用领域有哪些？3、面阵相机的基本参数有哪些？《机器视觉技术与应用实战》3D相机又称为三维视觉传感器。3D传感器具有广泛的用途，比如机器人视觉导航、汽车自动驾驶、生物医学影像分析、虚拟现实、监控、工业检测、天文观察、海洋自主导航、科学仪器等等，特别是3D影像技术在工业控制、汽车自主导航中具有广泛的应用。3D相机主要应用于产品在三维空间的3D定位和3D测量等，从结构上区分有单目、双目、激光线扫、TOF等，国内外视觉厂商都有产品推向市场，如视觉龙的VD300系列，LMI的GOCATOR系列等。《机器视觉技术与应用实战》种类：单目传感器、双目传感器、激光线扫传感器、TOF视觉传感器。应用场景：应用于产品在三维空间的3D定位和3D测量。《机器视觉技术与应用实战》1、单目传感器指仅利用一台工业相机完成定位工作，通过畸变矫正算法等计算出待测物体方向和位置，引导机器人抓取。此种方案性价比高，定位速度快，适合比较扁平化的工件或产品。《机器视觉技术与应用实战》2、双目传感器一般由双相机运用视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。本方案具有效率高、精度合适、系统结构简单等优点。双目3D传感器原理：双目3D传感器使用两只相机，在理想情况下，两只相机分开较短的距离，并几乎平行安装,如图。首先需要对双目相机进行标定，得到两个相机的内外参数、对应矩阵。根据标定结果对原始图像校正，校正后的两张图像位于同一平面且互相平行。对校正后的两张图像进行像素点匹配。根据匹配结果计算每个像素的深度，从而获得深度图。《机器视觉技术与应用实战》3、激光线扫传感器主要由激光发生器和相机构成，通过激光发出线性激光信号投射到工件表面，利用结构光在相机上的成像可通过三角关系计算出表面物体的高度，从而得出物体的三维信息。《机器视觉技术与应用实战》3、激光线扫传感器工作原理：传感器和被测物品作相对运动，传感器的像机从一个角度观察目标上的激光谱线，并捕获从目标上反射回来的激光。像机每次曝光捕获一个三维轮廓，从某种意义上说是一个切片。激光反射回摄像机的不同位置，具体取决于目标与传感器之间的距离。传感器的激光发射器、摄像机和目标构成一个三角形。使用激光发射器与摄像机之间的已知距离以及两个已知角度（其中一个角度取决于摄像机上激光的位置）来计算传感器与目标之间的距离。该距离转换为目标的高度。这种计算距离的方法称为激光三角测量。《机器视觉技术与应用实战》4、激光线扫传感器TOF（Time

of

Flight）即所谓飞行时间法3D成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。TOF是Time

of

flight的简写，直译为飞行时间。TOF技术跟3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐行扫描，而TOF传感器则是同时得到整幅

图像的深度信息。TOF传感器与普通机器视觉成像过程也有类似之处，都是由光源、光学部件、传感器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。与同属于非侵入式三维探测、适用领域非常类似的双目测量系统相比，TOF传感器具有根本不同3D成像机理。双目立体测量通过左右立体像对匹配后，再经过三角测量法来进行立体探测，而

TOF传感器是通过入、反射光探测来获取的目标距离获取。《机器视觉技术与应用实战》TOF的优势：与立体相机或三角测量系统比，TO