機(jī)器視覺系統(tǒng)：相機(jī)的選擇
機(jī)器視覺系統(tǒng)：相機(jī)的選擇
（1）工業(yè)數(shù)字相機(jī)的分類：
工業(yè)相機(jī)按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；
按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；
按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)（黑白攝像機(jī)、3Line彩色相機(jī)、3CCD彩色相機(jī)（分光棱鏡）、面陣相機(jī)（黑白攝像機(jī)、Bayer彩色相機(jī)、3CCD彩色相機(jī)（分光棱鏡）；
按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)（PAL（黑白為CCIR））、NTSC（黑白為EIA））、數(shù)字相機(jī)（IEEE1394、USB2.0、Camera Link、GigE）；
按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；
按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；
按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；
按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。
（2）相機(jī)的主要參數(shù)
相機(jī)的主要參數(shù)：
①分辨率；②速度（幀頻/行頻）；③噪聲；(三) 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）；④信噪比；⑤動(dòng)態(tài)范圍；⑥像元深度；⑦光譜響應(yīng)；⑧光學(xué)接口。
①分辨率
分辨率是相機(jī)基本的參數(shù)，由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。
通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有 1920 個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即 1080 行?，F(xiàn)在相機(jī)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(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。
②速度（最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate））
相機(jī)的幀頻/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常面陣相機(jī)用幀頻表示，單位 fps），如30fps，表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線陣相機(jī)通常用行頻便是單位 KHz，如 12KHz 表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集 12000 行圖像數(shù)據(jù)。
相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)，對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)。
速度是相機(jī)的重要參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中很多時(shí)候需要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體成像。相機(jī)的速度需要滿足一定要求，才能清晰準(zhǔn)確的對(duì)物體成像。
(三) 曝光方式和快門速度
對(duì)于線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。
快門速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。
③噪聲
相機(jī)的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。
根據(jù)歐洲相機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288 中，定義的相機(jī)中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號(hào)帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計(jì)漲落噪聲，也叫散粒噪聲，這種噪聲對(duì)任何相機(jī)都是相同的，不可避免，有其確定的計(jì)算公式（噪聲的平方=信號(hào)的均值）；二類是相機(jī)自身固有的與信號(hào)無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號(hào)處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺(tái)相機(jī)的固有噪聲都不一樣。另外，對(duì)數(shù)字相機(jī)來說，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。
④信噪比
相機(jī)的信噪比定義為圖像中信號(hào)與噪聲的比值（有效信號(hào)平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。（信噪比高的相機(jī)性能較好）
⑤動(dòng)態(tài)范圍
相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍表明相機(jī)探測(cè)光信號(hào)的范圍，動(dòng)態(tài)范圍可用兩種方法來界定，一種是光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍，指飽和時(shí)最大光強(qiáng)與等價(jià)于噪聲輸出的光強(qiáng)的比值，由芯片的特性決定。另一種是電子動(dòng)態(tài)范圍，是指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。
對(duì)于固定相機(jī)其動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)處，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：
動(dòng)態(tài)范圍可用倍數(shù)、dB 或 Bit 等方式來表示。動(dòng)態(tài)范圍大，則相機(jī)對(duì)不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
⑥像元/像素深度
數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。
對(duì)于黑白相機(jī)這個(gè)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(shù)。例如，對(duì)于 8bit 的相機(jī) 0 代表全暗而 255代表全亮。介于 0 和 255 之間的數(shù)字代表一定的亮度指標(biāo)。10bit 數(shù)據(jù)就有 1024 個(gè)灰階，而 12bit 有 4096 個(gè)灰階。每一個(gè)應(yīng)用我們都要仔細(xì)考慮是否需要非常細(xì)膩的灰度等級(jí)。從 8bit 上升到 10bit 或者 12bit 的確可以增強(qiáng)測(cè)量的精度，但是也同時(shí)降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。
⑦光譜響應(yīng)
光譜響應(yīng)是指相機(jī)對(duì)于不同波長(zhǎng)光線的響應(yīng)能力，通常指其所采用芯片的光譜響應(yīng)。通常用光譜曲線表示，橫軸表示不同波長(zhǎng)，縱軸表示量子效率。按照響應(yīng)光譜不同也把相機(jī)分為可見光相機(jī)（400nm—1000nm，峰值在 500nm—600nm 之間），紅外相機(jī)（響應(yīng)波長(zhǎng)在 700nm 以上），紫外相機(jī)（可以響應(yīng)到 200nm—400nm的短波），我們需要根據(jù)接收被測(cè)物發(fā)光波長(zhǎng)的不同來選擇不同的光譜響應(yīng)的相機(jī)。
⑧光學(xué)接口/接口類型
光學(xué)接口是指相機(jī)與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有 C 口，CS 口，F(xiàn) 口。下表提供了關(guān)于鏡頭安裝及后焦距的信息。其中 M42 鏡頭適配器源于高端攝像標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，相機(jī)的 Z 軸均依據(jù)所提供的適配器而進(jìn)行了優(yōu)化，一般情況下不要輕易拆卸鏡頭適配器。
（3）工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)主要接口類型
主要有：Usb2.0、IEEE 1394、CameraLink、GiggE。
目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD或CMOS芯片的相機(jī)。
CCD攝像機(jī)，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲(chǔ)存起來的方法。優(yōu)點(diǎn)：圖像質(zhì)量高、靈敏度高、對(duì)比度高；缺點(diǎn)：有Blooming現(xiàn)象、不能直接訪問每個(gè)像素、沒有片上處理功能。
CMOS攝像機(jī)，CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多的含義。CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上。優(yōu)點(diǎn)：體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、片上處理功能多、低功耗、沒有Blooming現(xiàn)象、能直接訪問單個(gè)像素、高動(dòng)態(tài)范圍(120dB)、幀率可以更高；缺點(diǎn)：一致性差、光靈敏度差、噪聲大。
CCD傳感器相機(jī)適合高速動(dòng)態(tài)；
CMOS傳感器相機(jī)適合低速動(dòng)態(tài)或靜止。
相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其容易實(shí)現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域（AOI）讀出方式。這一特性使得CMOS能針對(duì)較小的AOI時(shí)可以獲得更高的幀率。CMOS傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)就是，讀出速度快。CMOS傳感器的缺點(diǎn)是填充因子很低，通常使用微鏡來提高其填充因子。
CCD和COMS區(qū)別：
? CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好；
? CMOS價(jià)格比CCD便宜；
? CMOS電源消耗量比CCD低；
? CCD用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；
? CMOS 用于低速或靜態(tài)測(cè)量。但是現(xiàn)在全
局曝光的CMOS也可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；
? 現(xiàn)在CCD是主流，但CMOS正在趕上，而且CMOS是未來。
注：CCD是全局曝光,而CMOS既存在全局曝光又有卷簾曝光。
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