工业数字相机的应用及基础知识

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1、在机器视觉检测技术中，工业相机输入、输入、输出接口有下列几种

1).camera link;如:p2-2x-01k40就为camera link接口。

2).ieee 1394 ;如:mv-vs078fc/fm就为1394接口。

3).usb2.0 ;如:mv-vd040sc/sm就为usb接口。

4).ethernet ;如:mv-vem200sc/sm就为gige接口。

5).usb3.0 ;如:mv-vdm130sc/sm就为usb3.0接口。

2.知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择ccd相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么？

首先要选择合适的镜头。选择镜头应该遵循以下原则；

1).与之相配的相机的芯片尺寸是多大；

2).相机的接口类型是哪种的，c接口，cs接口还是其它接口。

3).镜头的工作距离；

4).镜头视场角；

5).镜头光谱特性；

6).镜头畸变率；

7).镜头机械结构尺寸；

选择ccd相机时，应该综合考虑以下几个方面

1).感光芯片类型；ccd还是cmos

2).视频特点；包括点频、行频。

3).信号输出接口；

4).相机的工作模式：连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。

5).视频参数调整及控制方法：manual、rs232.

同时，选择ccd的时候应该注意，linch=16mm而不是等于25.4mm.

3.ccd相机与cmos相机的区别在哪里？

1.成像过程

ccd与cmos图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于ccd仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而cmos芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是ccd为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在cmos芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是cmos芯片功耗比ccd要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是cmos相对ccd的固有劣势。

2.集成性

从制造工艺的角度看，ccd中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产ccd晶元，如dalsa、sony、松下等。ccd仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而cmos是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场cmos的成本相对ccd低很多。同时cmos芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、a/d转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着cmos成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的cmos成像芯片，包括：micron、cmosis、cypress等。

3.速度

ccd采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。cmos有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps以上的高速相机都是cmos相机。此外cmos的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

4.噪声

ccd技术发展较早，比较成熟，采用pn结或二氧化硅（sio2）隔离层隔离噪声，成像质量相对cmos光电传感器有一定优势。由于cmos图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着cmos电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的cmos图像传感器提供了良好的条件。

1、工业相机的主要参数。

①分辨率②速度（帧频/行频）③噪声④信噪比⑤动态范围⑥像元深度

⑦光谱响应⑧光学接口

2、工业相机分辨率的定义。

分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。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）x 1080(v)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。现在相机的分辨率通常表示多少k,如1k（1024），2k(2048), 3k(4096)等。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。

3、工业相机的帧频和行频的概念

相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧频表示，单位fps（frame per second），如30fps,表示相机再1秒钟内最多能采集30帧图像；例如：mv-vd078sc这个型号的相机，线阵相机通常用行频便是单位khz,如12khz表示相机再1秒钟内最多能采集12000行图像数据。速度是相机的重要参数，在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确的对物体成像。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。

4、工业相机噪声的概念

工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。根据欧洲相机测试标准emva1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方=信号的均值）。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。

5、工业相机信噪比的概念

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，图像质量越好。

6、工业相机的动态范围。

相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：

动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号

动态范围可用倍数、db或bit等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

7、工业相机里的像元深度。

数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗而255代表全亮。介于0和25之间的数字代表一定的亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。

8、工业相机的硬件接口？

硬件接口是指相机与镜头之间的借口，常用的镜头的借口有c口，cs口，f口。

9、工业相机的分类。

答：①按照芯片结构分类：ccd相机& cmos相机 如：mv-vd078sc &mv-1300uc

②按照传感器结构分： 面阵相机&线阵相机 如：mv-vd200sc&p2-2x-01k40

③按照输出模式分类：模拟相机&数字相机 如：vs-808h&mv-vs142fc

④彩色相机&黑白相机 如：vs-808hc&mv-vs142fm

10、工业相机与普通数码相机的区别。

答：①工业相机的快门时间特别短，能清晰地抓拍快速运动的物体，而普通相机抓拍快速运动的物体非常模糊

②工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通相机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔三行扫描

③工业相机的拍摄速度远远高于普通的相机；工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅的图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像。

④工业相机输出的是裸数据，它的光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，普遍应用于机器视觉系统中。而普通相机拍摄的图片，它的光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了mpeg压缩，图像质量也较差

11、如何选择线阵相机？

①计算分辨率；幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

②检测精度；幅宽除以像素得出实际检测精度。

③扫描行数；每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

根据以上计算结果选择线阵相机

举例如下：如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s相机：1600/1＝1600像素 最少2000像素，选定为2k相机1600/2048＝0.8实际精度22000mm/0.8mm＝27.5khz应选定相机为2048像素28khz相机

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