隨著工業(yè)4.0的到來，機(jī)器視覺系統(tǒng)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，相機(jī)是機(jī)器視覺的重要組成部分，合適的相機(jī)決定了系統(tǒng)應(yīng)用的好壞。因此，選擇合適的工業(yè)相機(jī)非常重要，本文主要介紹如何選擇合適的工業(yè)相機(jī)。

什么是工業(yè)相機(jī)

       工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其本質(zhì)功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號，相當(dāng)于機(jī)器視覺系統(tǒng)的“眼睛”。

       相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，工業(yè)相機(jī)具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD（Charge Coupled Devic或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。

目前，工業(yè)相機(jī)的主要用途包括以下幾個(gè)方面：

       （1）在開發(fā)產(chǎn)品和驗(yàn)證產(chǎn)品等。如開發(fā)金屬材料及樹脂材料時(shí)，用來觀察材料受到?jīng)_擊時(shí)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的方向、狀態(tài)等，可用來分析材料被破壞時(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，及電子產(chǎn)品的工業(yè)在線檢測等。

       （2）包裝和標(biāo)簽行業(yè)的印刷過程。工包裝和標(biāo)簽行業(yè)的印刷過程中，能夠?qū)崟r(shí)檢測到高速印刷中細(xì)微的缺陷，以便采取措施，減少損失。常見的缺陷如劃痕、灰塵、漏印、墨痕、褶皺等都可被檢測出來，提高投資回報(bào)，減少廢品支出，提高了客戶滿意度和信任度。

       （3）其他領(lǐng)域。如機(jī)器視覺、科研、軍事科學(xué)、航空航天等眾多領(lǐng)域，尤其是在智能交通行業(yè)：超速抓拍，闖紅燈電子警察、高速路口、卡扣收費(fèi)等交通行業(yè)也得到了良好的使用。

工業(yè)相機(jī)的分類

       工業(yè)相機(jī)按照芯片類型、傳感器結(jié)構(gòu)特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號方式、輸出色彩、輸出信號速度、響應(yīng)頻率范圍等有著不同的分類方法。

       按照芯片類型：可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

       按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性：可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；

       按照輸出信號方式:可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；

        按照輸出色彩：可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；

       按其他分類形式：

工業(yè)相機(jī)和普通相機(jī)的區(qū)別

1. 性能區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)的性能強(qiáng)勁，穩(wěn)定可靠，易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)不易損壞，連續(xù)工作時(shí)間長，可在較惡劣的環(huán)境下使用，一般的相機(jī)是做不到這些的。

       例如：普通相機(jī)無法連續(xù)長時(shí)間工作，無法快速連拍，沒有安裝孔位，無法固定于機(jī)臺上。

2. 快門時(shí)間區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)的快門時(shí)間可以很短，曝光可以全局曝光，可以抓拍高速運(yùn)動的物體。

       工業(yè)相機(jī)的快門時(shí)間一般可以從1／100000秒～10秒的范圍內(nèi)調(diào)整，配合控制器、光源、鏡頭，可以將快門時(shí)間設(shè)置在微秒級，而全局曝光，可以十分有效的解決拖影等問題。

3. 掃描方式區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成品率低，出貨量少且價(jià)格昂貴。

4. 幀率區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)的幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)。

       工業(yè)相機(jī)根據(jù)相機(jī)分辨率不同，每秒可以拍攝幾張到幾百張圖片，甚至成千上萬張圖片，而普通相機(jī)只能拍攝幾張圖像，相差較大。例如工業(yè)相機(jī)的30萬像素相機(jī)，可以輕松做到200幀。

5. 光譜區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)通常輸出的是裸數(shù)據(jù)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視覺應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。

6. 價(jià)格區(qū)別

       工業(yè)相機(jī)相對普通相機(jī)來說價(jià)格較貴。主要還是由市場需要來決定的。工業(yè)相機(jī)的出貨量遠(yuǎn)不如普通相機(jī)，因此成本居高不下是必然的。

一般選擇工業(yè)相機(jī)的注意事項(xiàng)

       選擇合適的相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

1. 相機(jī)類型

       對于靜止檢測或者一般低速的檢測，優(yōu)先考慮面陣相機(jī)，對于大幅面高速運(yùn)動或者滾軸等運(yùn)動的特殊應(yīng)用考慮使用線陣相機(jī)。

       根據(jù)檢測的速度，選擇相機(jī)的幀率一定要大于物體運(yùn)動的速度，一定要在相機(jī)的曝光和傳輸時(shí)間內(nèi)完成。而在實(shí)際檢測中實(shí)現(xiàn)同樣的目的可以有多種不同的解決辦法，相機(jī)的選擇也就有了更多空間。

2. 相機(jī)幀率

       相機(jī)的幀率決定著設(shè)備的測量效率，如相機(jī)的幀率是30FPS，則每秒鐘最多拍攝30次。

       通常來說，相機(jī)的分辨率越低，同樣的接口，幀率也會越高；而分辨率越高，幀率也會越低。幀率*分辨率≤總線帶寬，即在接口一定（總線帶寬已經(jīng)確定），分辨率一定時(shí)，幀率也是有其最大值的。既要想相機(jī)的分辨率快，又要想相機(jī)的幀率高，那么就需要找更大帶寬的總線，也就是相機(jī)的輸出接口。

3. 相機(jī)的曝光時(shí)間

       相機(jī)的最小曝光時(shí)間，可以決定目標(biāo)的運(yùn)動速度。或者反過來說，目標(biāo)的運(yùn)動速度，對相機(jī)的最小曝光時(shí)間提出了要求。

       假設(shè)我們的目標(biāo)運(yùn)動速度是1mm/S，我們的測量精度是0.01mm/pixel，那么我們必須考慮，物體的運(yùn)動引起的拖影必須要小于我們的精度0.01mm，目標(biāo)移動0.01mm，需要用時(shí)10ms，這就要求我們的相機(jī)的曝光時(shí)間必須小于10ms，如果大于這個(gè)曝光時(shí)間，那么僅僅物體運(yùn)動引起的模糊就會大于0.01mm，這時(shí)我們的精度已經(jīng)無法達(dá)到0.010.01mm/pixel了。

4. 相機(jī)輸出接口

       同等像素條件下，各種接口的總線其相機(jī)幀率是不一樣的。

一般來說：

       CameraLink>USB3>GIGE>1394B>USB2,1394A。

       現(xiàn)在最快的是Camera Link總線，USB3的理論速度達(dá)到了5Gbps即640MB，實(shí)際表現(xiàn)來看，應(yīng)該有80%的有效帶寬，即有512M左右的總帶寬可供實(shí)際傳輸，這樣如果一個(gè)500萬像素的相機(jī)，每幅圖像5M，那么也可能達(dá)到100幀每秒，速度是非?？斓?。

       而對于GIGE千兆網(wǎng)相機(jī)，500萬像素的相機(jī)，較快的可以做到23FPS。1394B的500萬像素相機(jī)可以做到13FPS，USB2，1394A一般為5~6幀的樣子。

企業(yè)應(yīng)如何選擇工業(yè)相機(jī)

       工業(yè)相機(jī)一般安裝在機(jī)器流水線上代替人眼來做測量和判斷，通過數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

1. 知道系統(tǒng)精度要求和相機(jī)分辨率，可以通過公式

       X方向系統(tǒng)精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素?cái)?shù)量( X方向)

       Y方向系統(tǒng)精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD 芯片像素?cái)?shù)量( Y方向)

2. 知道系統(tǒng)速度要求與相機(jī)成像速度

       系統(tǒng)單次運(yùn)行速度=系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度+系統(tǒng)檢測速度

       雖然系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度可以根據(jù)相機(jī)異步觸發(fā)功能、快門速度等進(jìn)行理論計(jì)算，最好的方法還是通過軟件進(jìn)行實(shí)際測試。

3. 將相機(jī)與圖像采集卡一并考慮，因?yàn)檫@涉及到兩者的匹配

       視頻信號的匹配：對于黑白模擬信號相機(jī)來說有兩種格式，CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡都同時(shí)支持這兩種相機(jī)；

       分辨率的匹配：每款板卡都只支持某一分辨率范圍內(nèi)的相機(jī);

       特殊功能的匹配：如要是用相機(jī)的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機(jī)同時(shí)拍照，這個(gè)采集卡就必須支持多通道，如果相機(jī)是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描。

       接口的匹配：確定相機(jī)與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、GIGE、CoxPress、USB3.0等。

4、在滿足您對檢測的必要需求后，最后才應(yīng)該是價(jià)格的比較

       如我們的檢測任務(wù)是尺寸測量，產(chǎn)品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水線作業(yè)，檢測速度是10件/秒，現(xiàn)場環(huán)境是普通工業(yè)環(huán)境，不考慮干擾問題。

       首先我們知道是流水線作業(yè)，速度比較快，因此選用逐行掃描相機(jī)，視野大小我們可以設(shè)定為20mm*12mm(考慮每次機(jī)械定位的誤差，將視野比物體適當(dāng)放大)。

       假如我們能夠取到很好的圖像(比如可以打背光)，而且我們軟件的測量精度可以考慮1/2亞像素精度，那么我們需要的相機(jī)分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel(像素)，另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是說我們相機(jī)的分辨率至少需要1000*600pixcel，幀率在10幀/秒，因此選擇1024*768像素(軟件性能和機(jī)械精度不能精確的情況下也可以考慮1280*1024pixcel)，幀率在10幀/秒以上的即可。

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