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[相机综合] 工业相机基础知识

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    发表于 2020-4-29 15:23:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 DO3THINK 于 2020-6-8 15:29 编辑

    相机成像原理

    • 现代相机有很多分类,且分类标准不统一。在这里简单分类为可更换镜头相机和不可更换镜头相机两种。对于可更换镜头而言。例如单反,单镜头反光照相机,镜头只是整个系统的一个部件,他的作用是获得我们想要的成像效果,但是镜头并不是成像的必要部件,把镜头取下,依然可以获得成像,此时就是利用了小孔成像的原理。对于没有反光镜设计的微单而言也一样。但是对于不可更换镜头的相机而言,那就是透镜成像原理。(其实也可以拆卸,只是你不能随意拆卸更换。)
    • 所以,严谨正确的表述应该是,在不拆掉现代相机的镜头时,现代相机运用的是透镜成像原理,在拆掉镜头之后,现代相机的机身本身利用的是小孔成像原理。

    CCD与CMOS

    工业相机按照图像的传感器元件的不同分为CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)和CMOS(金属氧化物半导体元件)两类,两者的区别如下:

    • 成像过程不同:
      CCD仅有一个(或少数几个)输出节点统一输出数据,信号一致性好,而CMOS芯片中每个像素都有自己的信号放大器,各自进行电荷到电压的转换,输出信号的一致性较差,比CCD的信号噪声更多,但是CMOS的一个显著优点是功效较低。
    • 集成性不同:
      CCD的制造工艺复杂,输出的只是模拟电信号,还需要后续的译码器,模拟转换器,图像信号处理器等,集成度低。COMS可以把信号放大器,模数转换器等集成在一块芯片上,集成度高,成本低。随着CMOS成像技术的进步,CMOS未来会有越来越多的应用场景。
    • 图像输出速度不同:
      CCD采用逐个光敏输出,速度较慢,CMOS每个电荷元件都有独立的装换控制器,读出速度很快,FPS在500以上的高速相机大部分使用的都是CMOS。
    • 噪声方面:
      CCD技术较为成熟,成像质量相较CMOS具有一定优势,CMOS的集成度更高,各元器件间距距离更近,干扰更多。

    线阵相机与面阵相机

    线阵相机的传感器只有一行感光元素,一般应用于需要高频扫描和高分辨率的场合。线阵CCD的优点是一维像元数可以做到很多,一般长度有2K,4K,8K,12K,但线阵CCD获取图像必须配以扫描运动,为了能确定图像上每一个像素点在被测件上的对应位置,还需要配以光栅等器件记录线阵CCD每一扫描行的坐标,并配以线阵相机专用的图像采集卡,这就导致线阵相机系统较为复杂,成本略高,并用容易受扫描运动的精度和稳定性的影响。面阵相机的像元在纵横两个方向上间隔的离散度是一致的,而线阵CCD的像元间距和扫描行距上一般是有差别的,由于扫描行距受机械传动部分的限制,远大于像元间距。

    面阵相机有比线阵相机更多的感光镜片,以矩阵排列,例如常说的百万像素相机即表示感光镜片矩阵WH约等于10001000。面阵相机一次成像,它的分辨率指的是一个感光晶片代表的实物物体的大小。数值越小,分辨率越高,相同的相机选用不同集中的箭头,分辨率就不同。在表现图像细节方面,不是由相机的像素多少来决定的,而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下,像素越多可以成像的区域面积越大。

    工业相机的输出接口:工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器,那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理,则有多种输出接口选择,但必须和采集卡的接口一致,通常有以下几种方式:

    • 1.USB接口:USB接口直接输出数字图像信号,串行通信,支持热拔插,传输速度在120Mbps-480Mbps之间,会占用CPU资源。传输距离较短,稳定性稍差。

      目前广泛采用的USB2.0接口,是最早应用的数字接口之一,具有开发周期短,成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢,传输数据过程需要CPU参与管理,占用资源,且由于接口没有螺丝固定,链接容易松动,最新的USB3.0接口使用了新的USB协议,可以更快的传输数据,但目前USB3.0的相机市场上不是很多。

    • 2.1394a/1394b接口:俗称火线接口,是美国电气和电子工程师学会(IEEE)制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集,数据传输率可达800Mbps,支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡,使用不方便,且由于早期苹果对该技术的垄断,市场普及率较低,已慢慢被市场所淘汰。

    • 3.Gige接口:千兆以太网接口,PC标准接口,传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准,特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点,使用方便,CPU资源占用少,可多台同时使用。

    • 4.Camera Link接口:需要单独的CameraLink采集卡,成本较高,便携性低,实际应用中较少,但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式,一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用,价格昂贵。


    相机基本参数
    • 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8bit,10bit,12bit。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8bit的500万像素,则整张图片应该有500万*8/8/1024/1024=4.8M(1024Byte=1KB,1024KB=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。


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