相机介绍

相机分类:

根据不同感光芯片划分   

感光芯片是摄像机的核心部件,目前摄像机常用的感光芯片有CCDCMOS两种:   

CCD摄像机

CCD称为电荷耦合器件,CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

CCD提供很好的图像质量、抗噪能力,尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大,复制下提高,但在电路设计师可更加灵活,更好的提升CCD相机某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域,如天文、高清晰的医疗X光影像、其他需要长时间曝光,对图像噪声要求比较严格的应用场合。  

CMOS摄像机

CMOS称为“互补金属氧化物半导体”,CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术,没有更多的含义。

CMOS具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等优点。但本身图像的噪声比较多。目前的CMOS技术不断发展,已经克服了早期的许多缺点,发展到了图像品质方面可以与CCD技术相较量的水平。CMOS适用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大部分消费性商业数码相机。目前CCD工业相机任然在视觉检测方案中占据主导地位。

按输出图像信号格式划分:

模拟摄像机         

模拟摄像机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号,需要配专用的图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。模拟摄像机一般用于电视摄像和监控领域,具有通用性好、成本低的特点,但一般分辨率较低、采集速度慢,而且在图像传输中容易受到噪声干扰,导致图像质量下降,所以只能用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。常用的摄像机输出信号格式有:

PAL(黑白为CCIR),中国电视标准,625行,50

NTSC(黑白为EIA),日本电视标准,525行,60场  

SECAM  S-VIDEO  分量传输  

数字摄像机  

数字摄像机是在内部集成了A/D转换电路,可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息,不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题,而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约,对外的信号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议,可以做成各种分辨率的形式,出现了目前数字摄像机百花齐放的形势。常见的数字摄像机图像输出标准有:   

IEEE1394  USB2.0  DCOM3   RS-644 LVDS   Channel Link LVDS  Camera Link LVDS  千兆网

按像元排列方式划分    

面阵摄像机  

面阵摄像机是我们常见的形式,其像元是按行列整齐排列的,每个像元对应图像上的一个像素点,我们一般所说的分辨率就是指像元的个数。   

线阵摄像机         

线阵摄像机是一种比较特殊的形式,其像元是一维线状排列的,即只有一行像元,每次只能采集一行的图像数据,只有当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。所以在机器视觉系统中一般用于被测物连续运动的场合,尤其适合于运动速度较快、分辨率要求较高的情况。  

按成像色彩划分

可分为彩色相机和黑白相机; 其中彩色相机有RGB格式(3CCD彩色相机)和Bayer格式(单CCD彩色相机)等

相机参数:

分辨率

相机每次采集图像的像素点数,一般对应于光电传感器靶面排列的像元数,如1920*1080

像素深度

每位像素数据的位数,常见的是8bit10bit12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit500万像素,则整张图片应该有500*8/1024/1024=37M1024bit=1KB1024KB=1M)。增加像素深度可以增强测量的精度,但同时也降低了系统的速度,并且提高了系统集成的难度(线缆增加,尺寸变大等)。

最大帧率/行频

相机采集和传输图像的速度,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec),对于线阵相机为每秒采集的行数(HZ)。

曝光的方式和快门速度

工业线阵相机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式,工业数字相机一般都提供外触发采图的功能,快门速度一般可到10ms,高速相机还会更快。

像元尺寸

像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般位3μm~10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。

光谱响应特性

是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围为350nm~1000nm,一些相机在靶面前面加了一个滤镜,滤除红外线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

工业相机噪声

噪声是指成像过程中不希望被采集到的,实际成像目标之外的信号。总体上分为两类,一类是由有效信号带来的散粒噪声,这种噪声对任何相机都存在;另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声,每台相机的固有噪声都不一样。

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,相机性能和图像质量越好。

工业相机接口:

数字相机又分为: GIGE千兆网、USB2.0USB3.0Camera Link1394A1394B、等多种类型的接口

1GIGE千兆网接口

1、千兆网协议稳定。

2、千兆网接口的工业相机,是近几年市场应用的重点。使用方便,连接到千兆网卡上,即能正常工作。

3、需要注意一些特殊的细节,如早期的NI的软件,可能对千兆网卡的芯片有要求,需要使用INTEL的芯片才可以正常驱动GIGE相机,而使用如Realtek的芯片网卡,就无法响应。随着技术的不断革新发展,维视图像Microvision)MV-EM\E系列千兆网工业相机无论是什么芯片网卡,都能稳定的正常使用,不会有任何问题。

4、在千兆网卡的属性中,也有与1394中的Packet Size类似的巨帧。设置好此参数,可以达到更理想的效果。

5、传输距离远,可传输100米。

6、可多台同时使用,CPU占用率小。

2USB2.0接口

1USB2.0接口的工业相机,是最早应用的数字接口之一,开发周期短,成本低廉,是目前最为普通的类型,维视图像(Microvision)的于2003年推出的MV-1300系列是国内最早研发的USB接口工业相机,已面向市场十几年,反响良好。

2、所有电脑都配置有USB2.0接口,方便连接,不需要采集卡;缺点是其传输速率较慢,理论速度只有480Mb60MB)。

3、传输速率低,糟糕的协议(Bulk-Only Transport(BOT)协议)与编码方式,数据只有30MB/S左右。

4、在传输过程中CPU参与管理,占用及消耗资源较大。

5USB2.0接口不稳定,相机通常没有坚固螺丝,因此在经常运动的设备上,可能会有松动的危险。

6、传输距离近,信号容易衰减。

3USB3.0接口

1USB 3.0的设计在USB 2.0的基础上新增了两组数据总线,为了保证向下兼容,USB 3.0保留了USB 2.0的一组传输总线。

2、在传输协议方面,USB 3.0除了支持传统的BOT协议,新增了USB Attached SCSI ProtocolUSAP),可以完全发挥出5Gbps的高速带宽优势。

3、由于总线标准是近几年才发布,所以协议的稳定性同样让人担心。

4、传输距离问题,依然没有得到解决。

5、目前虽然市面上还没有太多的USB3.0相机出现,不过现在国内外的工业相机厂商都在积极推进,而且有些厂商已经有相关的样机出现,维视图像(Microvision)已经研发并推出MV-VDM系列USB3.0工业相机。

4Camera Link接口。

1、需要单独的Camera Link接口,不便携,导致成本过高。

2Camera Link接口的相机,实际应用中比较少。

3、传输速度是目前的工业相机中最快的一种总线类型。一般用于高分辨率高速面阵相机,或者是线阵相机上。

4、传输距离近。

51394(火线)

11394接口,在工业领域中,应用还是非常广泛的。协议、编码方式都非常不错,传输速度也比较稳定,只不过由于早期苹果的垄断,造成其没有被广泛应用。

2、在工业中,常用的是400Mb1394A800Mb1394B接口。超过800Mb以上的也有,如3.2Gb的,但是比较少见。

31394接口,特别是1394B口,都有坚固的螺丝。

41394接口不太方便的地方是其未能普及,因此电脑上通常不包含其接口,因此需要额外的采集卡。

51394接口,需要注意一下其Packet Size数据包大小设置。Packet Size是整个1394总线的带宽。

6、占用CPU资源少,可多台同时使用,但由于接口的普及率不高,已慢慢被市场淘汰。

工业相机的触发模式

 1)连续采集模式:对静态检测可选择,产品连续运动不能给触发信号的可选择;

2)软件触发模式:对动态检测可选择,产品连续运动能给触发信号的可选择;

3)硬件触发模式:对高速动态检测可选择,产品连续高速运动能给触发信号的可选择。

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