機器視覺相機

機器視覺相機的目的是將通過鏡頭投影到傳感器的圖像傳送到能夠儲存、分析和（或者）顯示的機器設備上。可以用一個簡單的終端顯示圖像，例如利用計算機系統顯示、存儲以及分析圖像。

按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應頻率範圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

CCD和CMOS是普遍採用的兩種圖像工藝技術，它們之間的主要差異在於傳送方式的不同，用過相機的人肯定對這兩個名詞不會陌生，可是對它們之間的性能區別，卻並不是很瞭解。這裏將做簡單的比較説明。

1、噪聲差異：由於CMOS的每個感光二極管都需要搭配一個放大器，若以百萬像素計算的話，那就需要上百萬個的放大器，然而放大器屬於模擬電路，很難讓所得的每個結果都保持一致。而CCD只需要一個放大器放在芯片邊緣，與CMOS相比，它的噪聲相對減少很多，大大提高了圖像品質。

2、耗電量差異：CMOS採用主動式圖像採集方式，感光二極管所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體放大輸出；而CCD為被動式採集方式，必須外加12~18V的電壓以使每個像素中的電荷移送到傳輸通道。因此CCD就必須設計更精密的電源線路和耐壓強度，這樣使得CCD的耗電量遠遠高出CMOS，根據計算CMOS的耗電量僅是CCD的1/8~1/10。

3、分辨率差異：由於CMOS的每個像素都比CCD複雜，且其像素尺寸很難達到CCD的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS時，CCD的分辨率通常會優於CMOS傳感器的水平。例如，大恆圖像生產的水星系列相機4.40μm*4.40μm像元大小的CCD相機分辨率為1628*1236，而4.8μm*4.8μm像元大小的CMOS相機分辨率為1280*1024，對比結果明顯得出：同尺寸大小，CCD的分辨率要高於CMOS，也就是説成像質量要優於CMOS。

4、靈敏度差異：因為CMOS信號是以點為單位的電荷信號，而CCD是以行為單位的電流信號，讀取信號時 CMOS是點直接讀取信號，CCD則是行間接讀取信號，因此在像素尺寸相同的情況下，CMOS的靈敏度要低於CCD。

5、成本差異：由於CMOS與現有的大規模集成電路生產工藝相同，可以一次全部整合周邊設施到傳感器芯片中，大大節省了外圍芯片的成本；而CCD採用電荷傳遞的方式輸出數據，只要其中有一個像素傳送出現故障，就會導致一整排的數據無法正常傳送，因此控制CCD的成品率比CMOS困難許多，因此，CCD的製造成本就相對高於CMOS傳感器。

相機的選取是設計機器視覺系統極關鍵的一步，首先明確需求：

第一、要先確定檢測產品的精度要求。第二、要確定相機要看的視野大小。第三、要確定檢測物體的速度。第四、要確定是動態檢測還是靜態檢測。

然後確定硬件類型

1、相面像素大小的確定：市面上的軟件精度一般都是基本上沒有誤差的也就是人們所説的亞像素，但雖軟件沒有誤差，但硬件的誤差是不可避免的，所以市場上的機器視覺系統一般都保證在誤差為一個像素，所以我們得到如下計算公式：精度=視野（長或寬）÷相機像素（長或寬），有了以上公式我們又有了第一和第二個需求就不難確定相機的像素大小了。假設視野為10mm，精度要求為0.02mm,那麼相機的像素=10÷0.02=500像素，那就只需要30萬（640*480）像素的相機就可以了。

2、相機傳輸方式的確定：市面上的相機傳輸方式有：

1） 模擬相機（PCI採集卡）， 對速度要求不高可選擇，優點：穩定，性價比高 缺點：幀率低，一般只能達到25幀—30幀。

2）USB接口相機， 系統只用到單個相機的可先擇，要求高速的時候可先擇，優點：不需要佔PCI插槽，幀頻高，性價比高 缺點：佔系統CPU。

3）1394接口相機，系統用到多個相機的時候可先擇，要求高速的時候可先擇，優點：不佔系統CPU，幀頻高， 缺點：佔PCI插槽，價格昂貴。

3、相機的觸發方式的選擇：1）連續採集模式 對靜態檢測可選擇，產品連續運動不能給觸發信號的可選擇。2）軟件觸發模式 對動態檢測可選擇，產品連續運動能給觸發信號的可選擇。3）硬件觸發模式 對高速動態檢測可選擇，產品連續高速運動能給觸發信號的可選擇。

1、自動增益控制（AGC ON/OFF）：攝像頭內有一個將來自 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，等效於有較高的靈敏度，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。

2、自動白平衡（ATW ON/OFF）：開關撥到 ON 時，通過鏡頭來檢測光源的特性、色温，從而自動連續設定白電平，即使特性、色温改變也能控制紅色和藍色信號的增益。

3、自動亮度控制 / 電子亮度控制（ALC/ELC）：當選擇 ELC 時，電子快門根據射入的光線亮度而連續自動改變 CCD 圖像傳感器的曝光時間（一般從 1/50 到 1/10000 秒連續調節）。選擇這種方式時，可以用固定或手動光圈鏡頭替代 ALC 自動光圈鏡頭。

需要注意的是：在室外或明亮的環境下，由於 ELC 控制範圍有限，還是應該選擇 ALC 式鏡頭；在某些獨特的照明條件下，可能出現下列情況：

① 在聚光燈或窗户等高亮度物體上有強烈的拖尾或模糊現象。

② 圖像顯著地閃爍和色彩重現性不穩定。

③ 白平衡有周期性變化，如果發生這些現象，應使用 ALC 鏡頭。

以固定光圈鏡頭採用 ELC 方式時，圖像的景深可能小於使用 ALC 式鏡頭所獲得的景深。因此，攝像頭在完全打開固定光圈鏡頭而採用 ELC 方式時，景深會比使用 ALC 式鏡頭時小，而且圖像上遠處的物體可能不在焦點上。 當鏡頭是自動光圈鏡頭時，需要將開關撥到 ALC 方式。

4、背光補償開關（BLC ON/OFF）：當強大而無用的背景照明影響到中部重要物體的清晰度時，應該把開關撥到 ON 位置。注意： ① 當與雲台配用或照明迅速改變時，建議把該開關放在 OFF 位置，因為在 ON 位置時，鏡頭光圈速度變慢； ② 如果所需物體不在圖像中間時，背光補償可能不會充分發揮作用。

5、同步選擇開關（LL/INT）：此開關用以選擇攝像頭同步方式， INT 為內同步； LL 為電源同步。有些攝像頭還有一個 LL PHASE 電源同步相位控制器。當攝像頭使用於電源同步狀態時，此裝置可調整視頻輸出信號的相位，調整範圍大概是一幀。（調整需要專業人員進行操作）

6、鏡頭控制信號選擇開關（VIDEO/DC）： ALC 自動光圈鏡頭的控制信號有兩種，當需要將直流控制信號的自動光圈鏡頭安裝在攝像頭上時，應該選擇 DC 位置，需要安裝視頻控制信號的自動光圈鏡頭時，應該選擇 VIDEO 位置。

當選擇 ALC 自動光圈視頻驅動鏡頭時，還會有一個視頻電平控制（ VIDEO LEVEL L/H ）可能需要調整，該控制器調節輸出給自動光圈鏡頭的控制電平，用以控制鏡頭光圈的開大和縮小（凹進光亮）。在攝像頭的配件中，有一個黑色的小插頭，插頭有四個針，聯接攝像頭上的黑色插座。如果用 DC 驅動的自動光圈鏡頭，鏡頭上已經做好了插頭，只要插在插座上，把選擇開關撥到 DC 即可；如果用視頻驅動的自動光圈鏡頭，需要用户根據説明書上的標註，用烙鐵焊好。由於廠家定義不同，所以焊法也有區別，在安裝時需要留意。

7、細節電平選擇開關（SOFT/SHARP）：該開關用以調節輸出圖像是清晰（ SHARP ）還是平滑（ SOFT ），通常出廠設定在 SHARP 位置。

8、無閃動方式（FLICKERLESS）：在電源頻率為 50Hz 的地區， CCD 積累時間為 1/50 秒，如果使用 NISC 制式攝像機，其垂直同步頻率為 60Hz ，這樣將造成視覺影像不同步，在監視器上出現閃動；反之，在電源為 60Hz 的地區用 PAL 制式攝像機也會有此現像。為克服此現像，在電子快門設置了無閃動方式檔，對 NISC 制式攝像機提供 1/100 秒，對 PAL 制式攝像機提供 1/120 秒的固定快門速度，可以防止監視器上圖像出現閃爍。手動電子快門：有些用户使用 CCD 攝取運動速度比較快的物體，如果以 1/50 秒速度拍攝，會產生拖尾現像，嚴重影響圖像質量。有些攝像頭給出了手動電子快門，使 CCD 的電荷偶合速度固定在某一值，例如 1/500 、 1/1000 、 1/2000 秒等等，此時 CCD 的電荷偶合速度提高，這樣採集下來的圖像相對來説會減少拖尾現像，而且對於觀測高速運動或電火花一類物體，必須使用此設置。所以，某些專用攝像頭給出了手動電子快門，提供給特殊用途的用户。