一文轻松学会工业相机选型（内含实例）

在工业生产和自动化范畴内，视觉系统占据着举足轻重的地位，其中，工业相机作为这些系统的基石，发挥着类似人类视觉的关键作用。工业相机的应用领域极为广泛，涵盖了从产品质量检测到自动化流水作业，再到智能交通管理体系及无人机技术等多个方面，其市场规模持续扩大，技术复杂度也在不断提升。

1、什么是工业相机？

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。机器视觉系统通过图像摄取装置（即工业相机）将被摄目标转化为图像信号，这些信号被传送到专用的图像处理系统。系统根据像素分布、亮度、颜色等信息，将这些信号转化为数字化信号，并进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

简单来说，工业相机是一种专为工业环境设计的高性能图像传感设备。它可以在各种严苛条件下持续工作，并提供稳定、准确的图像数据。许多工业相机需要不间断运行，以支持现代工业的复杂需求。

工业相机通常由图像传感器（如CCD或CMOS）、镜头、信号处理器、数据接口和外壳等器件构成。工业相机常见的分类有以下几种，可以按功能或工作方式划分为：

• 按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机；

• 按照传感器的结构特性可以分为线阵相机（1D）、面阵相机 （2D），3D相机；

• 按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；

• 按照输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；

• 按照光谱响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

2、工业相机常用参数：

1. 分辨率（Resolution）

• 定义：相机每次采集图像的像素点数，由相机所采用的感光芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量（即像素数）。
• 影响：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。
• 表示方法：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）x1080（V），前面的数字表示每行的像元数量，后面的数字表示像元的行数。线阵相机的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

2. 像素深度（Pixel Depth）

• 定义：即每像素数据的位数，一般用多少比特位表示。
• 影响：像素深度决定了图像灰阶的丰富程度。比特位数越多，表达图像细节的能力越强，灰阶值更加丰富、分得更细。但数据量也越大，可能影响系统的图像处理速度。
• 常见值：一般常用的是8Bit，对于数字相机还会有10Bit、12Bit、14Bit等。

3. 最大帧率/行频（Frame Rate/Line Rate）

• 定义：相机采集传输图像的速率。
• 表示方法：通常帧率是相对于面阵工业相机来说的，单位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相机每秒内最多可采集181帧图像。行频是相对于线阵工业相机来说的，单位是kHz，如80kHz，即相机每秒内最多可采集80000行图像数据。
• 影响：帧率/行频越高，相机在单位时间内采集的图像数量越多，适用于需要快速捕捉动态图像的场景。

4. 曝光方式和快门速度（Exposure and Shutter Speed）

• 曝光方式：对于线阵相机，通常是逐行曝光的方式；面阵相机则有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式。
• 快门速度：一般可到10微秒，高速相机还可以更快。快门速度越快，相机捕捉图像的能力越强，适用于光线变化快或运动物体拍摄的场景。

5. 像元尺寸（Pixel Size）

• 定义：像元是组成数字化影像的最小单元，像元尺寸大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。
• 常见值：工业相机像元尺寸一般为3μm~14μm。
• 影响：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，图像质量可能越高。但像元尺寸越小，制造难度越大。

6. 光谱响应特性（Spectral Range）

• 定义：指该像元传感器对不同光波的敏感特性。
• 常见范围：一般响应范围是350nm~1000nm。一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线。如果系统需要对红外感光，可去掉该滤镜。

7. 接口类型（Interface Type）

• 常见类型：有Camera Link接口、以太网接口、1394接口、USB接口输出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。
• 影响：接口类型决定了相机与图像处理系统或其他设备之间的数据传输方式。选择合适的接口类型可以确保数据传输的稳定性和速度。

8. 其他参数

• 动态范围：描述每个像素能够分辨出的灰度等级。宽动态范围能够使场景中亮场和暗场部分的细节同时被清晰的记录下来。
• 噪声：成像过程中不希望被采集到的、实际成像目标外的信号。根据欧洲机器视觉协会（EMVA）的EMVA1288标准，相机噪声总体上分为由有效信号带来的散粒噪声和相机本身固有的与信号无关的噪声两类。

3、工业相机选型

工业相机选型时要注意以下几点：

首先根据应用场景，选择颜色，通常黑白相机就足够满足需求。但如果你需要测量彩色图像，那么彩色相机是更好的选择。接下来需要考虑的重要参数：

1. 分辨率的选择。首先根据目标物体的精度要求选择分辨率。这取决于你的测量精度和视场大小。记住，相机分辨率（L/W）应至少等于视场（L/W）除以精度。

2. 相机帧数选择。当被测物体处于运动状态时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。帧率是另一个关键参数。它决定了相机的测试效率。例如，30FPS的相机每秒最多拍摄30次，而120FPS的相机可每秒拍摄120次，能更快地检查产品。

3.选择合适的输出接口。Camera Link、USB3、GIGE等接口的总线性能各不相同，会影响帧率。一般来说，Camera Link的性能最佳。

4.曝光时间也很关键。最小曝光时间决定了目标运动的最大速度。因此，在选定相机前，要考虑目标的运动速度。

5.传感器也很重要。静态目标可选择卷帘CMOS相机以降低成本；动态目标则应优先考虑全局CMOS或CCD相机。传感器尺寸同样关键。尺寸越大，像元尺寸也越大，从而增加每个像元的感光面积，有助于提高图像质量。

6. 与镜头的匹配。传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头的靶面尺寸，C 或CS 安装座也要匹配（或者增加转接口）；

例如若检测精度要求为0.01mm，且视野范围为21mmx16mm，则相机分辨率应达到（21/0.01）X（16/0.01）计算结果约为300万像素。若想获取高质量的图像以及实现高精度的检测，我们可考虑采用分辨率更高的500万像素相机。

相机的分辨率=视野/精度

帧率/行频计算公式：面阵相机帧率=3目标速度/横向视野 线阵工业相机行频=运动速度/实际精度=运动速度*分辨率/视野

最大曝光时间=视野宽度/目标物运行速度*分辨率=精度/速度。

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