一、机器视觉相机概述

相机的主要功能是采集图像。较早的相机称为模拟相机，需要配合图像采集卡使用，通过采集卡将模拟电信号转换成数字电信号，再传送至电脑。随着IEEE1394、GigE、USB 3.0、Camera Link .CoaXPress等数字接口技术的发展和普及，模拟相机逐渐被数字相机所取代。数字相机遵从一定的通信协议，能够直接将采集到的图像转换成数字电信号，因此已成为机器视觉系统中的主流相机。

二、CCD相机组成与工作原理
1.CCD传感器
电荷耦合器件(Charge Coupled Device)是一种半导体成像器件，能感应光线，并将光信号转换成电信号，具有灵敏度高、抗强光、体积小、寿命长、抗震动等优点。典型的CCD相机主要由CCD芯片、驱动电路、信号处理电路、视频输出模块、电子接口电路、光学机械接口等组成。CCD芯片上包含的像元数越多，其提供的画面分辨率越高。

2.CCD相机的工作原理
被摄物体一方的光线经过光学镜头聚焦至CCD芯片上，在驱动电路提供的驱动脉冲下CCD完成光电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信号转换为电信号输出。信号处理电路接收来自CCD的电信号，并进行采样保持、相关双采样、自动增益控制等预处理，然后进行视频信号合成，即将CCD输出的电信号转换为所需要的视频格式输出。

三、CMOS相机组成与工作原理
1.CMOS传感器
CMOS是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写，CMOS技术将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，从而提高了CMOS相机的集成度与设计的灵活性。CMOS相机一般由CMOS图像传感器、外围控制电路、FPGA或DSP处理模块、接口电路组成。感光芯片将入射的光信号转换为电信号，并以一定形式收集并储存电荷信号然后输出至FPGA芯片。FPGA对该信号做一定的预处理后缓存至内存，以待后续的图像传输。图像的传输经由相应的通讯接口传输至图像接收端。

2.CMOS相机的工作原理

在光电转换这个过程中，CMOS相机的工作流程与CCD相机相似，都是利用光电二极管进行光电转换。两者的主要差异是图像数据传送的方式不同。在CCD传感器中，每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一行像素中，由底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大，因此信号的输出一致性好﹔而在CMOS传感器中，每个像素单元都会集成一个放大器及模/数转换电路，CMOS芯片可以直接输出数字信号，大部分CMOS相机设计直接加有FPGA或DSP处理模块，可对图像数据进行滤波、校正等预处理。

四、相机的分类

1.按芯片工艺类型

2.按图像模式

3.按信号输出方式

4.其他分类方式

即靶面尺寸，面阵相机以芯片的对角线长度来度量;线阵相机以芯片的横向长度来度量。工业上，面阵相机常用的传感器尺寸如下表，实际尺寸略有差异。

2.像素

像素是图像的组成单元。如下图，将原图局部放大，每一小格表示一个像素，其中每一个像素对应一个灰度值。

3.像元

像元是相机芯片上的极小的感光单元，每个像元对应图像上的一个像素。

4.像元尺寸
像元尺寸是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸，常见的有2.2um，3.45um ，3.75um，4.8um，5.5um，5.86um，7.4um等。对同尺寸的芯片，外部光照环境和相机参数设置相同(比如曝光时间和增益等)的情况下，像元尺寸越大，能够接收到得光子数量越多，芯片灵敏度越高，感光性越好，所成图像越亮。

5.像元深度
存储每个像素所用的数据位数，称为像元深度。对于黑白相机来说，像元深度定义灰度由暗到亮的灰阶数。例如，像元深度是8位的相机，输出的图像灰度等级是2的8次方，即O-255共256级。像元深度是10位的相机，输出的图像灰度等级是2的10次方，即O-1023共1024级。像元深度越大，固然可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度。一般工业上都是使用8位的像元深度。

6.分辨率

分辨率由芯片阵列排列的像元数量决定，对于面阵相机来说水平像素数和垂直像素数相乘即为相机的分辨率。例如一个相机的分辨率是1280(H)×1024(V)，表示每行的像元数量是1280，有1024行像元，此相机的分辨率大约是130万像素。在对同样大小的视场成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。目前常用相机的分辨率有30万、130万、200万、500万、1000万、2900万、7100万、1.2亿等。

7.精度
图像中每个像素代表的实际物理尺寸。

精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率

例如:视场水平方向的长度是32mm，相机水平分辨率为1600,可求得视觉系统的精度为每像素对应0.02mm。在实际应用中，为提高系统稳定性，通常要求机器视觉的理论精度高于要求精度。

8.帧率/行频
相机的采集频率，面阵相机用帧率表示，线阵相机用行频表示。面阵相机帧率单位为FPS(frame per second)，即帧/秒，指相机每秒钟能采集多少幅图像，1幅图像为1帧。例如15帧/秒，表示相机一秒钟能采集15幅图像。一般来说，分辨率越高的相机，帧率越低。线阵相机行频单位为Hz，1Hz对应采集一行图像。例如50KHz/秒，则表示相机1秒钟内，扫描50000行。一般来说，分辨率越高的相机，行频越低。

9.增益

输入信号与输出信号的放大比例，用来整体提高画面的亮度。增益的单位为dB。

10.外触发
工业相机一般都具有外触发功能，可以根据外部信号控制图像采集，即接收到一次外部信号，采集一次图像。在实际使用中，可以用传感器和相机的外触发功能配合，进行灵活的使用。

*注意事项:在有些使用相机外触发功能的场合，可能会有其他的电子设备的运用，例如直流/交流电机，变频器，接触器等等，如果对各种信号的屏蔽做的不好，很有可能对相机的外触发信号造成干扰，影响相机的使用。
*信号输出:在使用相机的外触发功能时，一般来讲，外部光源的照明也是配合相机处于外触发状态。相机采集时光源亮，相机未采集时光源灭。有的相机具有信号输出功能，输出触发信号，控制光源的亮和灭，从而配合相机的图像采集。

11.曝光时间/曝光方式
曝光时间指光投射到相机传感器芯片上，相机芯片的感光时间。一般曝光时间越长，图像越亮。外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间。工业相机中曝光方式分为行曝光与帧曝光，其中行曝光指逐行曝光，帧曝光为一次性曝光所有像元。线阵相机为逐行曝光，可以选择固定行频。

12.拖影
拍摄运动物体时，由于曝光时间与运动速度不匹配，导致物体在像元上重复成像。

13.动态范围
相机的动态范围表明相机可探测光信号的范围，相机所能拍摄到从“暗”至“亮”的范围。对于固定相机，其动态范围是一个固定值，不随外界的条件变化而变化。动态范围可以用倍数、dB或bit等方式来表示。动态范围越大，则相机更能适应不同的光照强度，所能表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。在线性响应区，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

14.噪点/信噪比

噪点:感光芯片将光线作为接收信号并输出的过程中所产生的图像中的粗糙部分，也指图像中不该出现的外来像素。
信噪比:为相机系统中真实图像信号与图像噪声的比例。

15.光谱响应
光谱响应是指相机的芯片对不同波长的光线的响应能力。一般用光谱响应曲线表示，如图X轴表示入射光的波长，Y轴表示响应能力。根据响应光谱不同，可以把相机分为可见光相机(400nm-1000nm,峰值500nm-600nm)，红外相机(700nm以上)，紫外相机(200nm
-400nm)。根据应用不同，而选择不同的光谱响应相机。

六、相机标准
1.GenlICam
GenlCam(相机通用协议)可为各种类型的相机提供通用编程接口，从而实现不同品牌相机的互换性，其目的是在全行业实现相同应用编程接口(APl)。

*GenlCam标准由多种模块构成
（1）GenTL:(通用传输层)将传输层编程接口标准化。实现相机列举、相机寄存器访问、流数据和异步事件传输。由于GenTL是种较为底层的接口，因此终端用户一般借助使用软件开发工具包，而非直接使用GenTL。GenTL的主要目的是确保不同供应商提供的驱动和软件
开发工具包能够共同无缝工作。
（2）GenApi:(通用应用编程接口)用于设置相机的应用程序开发接口。该文件列出了{标准和定制]相机具有的所有特点，并且定义了它们对相机寄存器的映射。文件格式基于XML，因此可阅读。该文件通常存储于相机固件中，当相机首次连接到系统中时可由软件开发工具包检索。

（3）SFNC:([标准特点命名规范}将相机自描述文件中的相机特点的名称、类型、意义和使用标准化。确保不同供应商提供的相机在相同功能下时使用同一名称。
（4）GenCP:(通用控制协议]将控制协议的包布局标准化，且由接口标准使用，以重新使用部分控制路径应用。GenICam标准组的成员维护了一个参考实现组件，能够解析包含相机自我描述内容的文件。产品级代码采用C++书写，可免费使用。具有高度便携性，可兼容一系列操作系统和编译程序。大多数可用的软件开发工具包采用该参考实现，因此确保高度互操作性。

2.硬件传输接口
对于数字相机来说，目前业内常用的接口有GigE，USB，IEEE1394（有1394a和1394b之分），Camera Link和CoaxPress等。对于不同的接口，其特性不同。

（1）GigE接口
GigE Vision标准是广泛应用的相机接口标准，基于以太网(IEEE 802.3)通信标准制定。该标准于2006年5月发布，并且分别于2010年(第1.2版}和2011年(第2.0版}修订。GigE 'vision支持多流通道，通过使用标准以太网电缆可实现超远距离、快速、准确地图像传输。不同供应商的硬件和软件在以太网连接中可以实现无缝交互操作。
千兆以太网技术作为新的高速以太网技术，相对以前的百兆网，在传输速度上提高了十倍，且价格便宜，是一种高性价比的数据传输解决方案。同USB接口一样，10M/10OM以太网接口是PC上的一种标准接口，从1OM/10OM网升级到千兆网不必改变网络应用程序、部件和操作系统，能够极大程度的实现兼容，节约成本。GigE接口是一种使用较为广泛的一种数据传输接口方式。

（2）USB接口
uSB3 Vision标准于2011年末启动，其第1.0版于2013年1月出版。虽然是新标准，但机器视觉行业对USB技术并不陌生。USB接口简单的即插即用式安装和高性能等特点，引起广大消费者的关注。多家公司的专家联合，建立了一项能够在机器视觉行业适应不同需求的标准。该方法可支持现有USB主机硬件和几乎所有的操作系统，利用硬件直接存储器存取[DMA)直接将相机中的图像传输到用户缓存上。采用GenlCam标准中的相机控制概念，终端用户可将USB3Vision轻松应用至现有系统中。
（3）IEEE1394接口
1394接口，又称为“火线”(FireWire)。该接口基于苹果公司在1987年开发的串行标准。1394a传输速度为400Mbps ,1394b传输速度为80OMbps。不同的数字设备间通过1394接口直接连接，真正的点对点传输，这种接口还支持热插拔。在工业场合使用中，IEEE1394是一种比较稳定的数据传输接口，已逐渐退出主流市场。
（4）Camera Link接口
camera Link标准由美国自动化工业学会AIA制定、修改和发布。Camera Link是从Channel Link技术发展而来的，Camera Link标准规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，采用了统一的物理接插件和线缆定义。只要是符合Camera Link标准的摄像机和图像卡采集就可以物理上互联。Camera Link主要运用在高速数据传输的场合，线阵相机上多采用Camera Link接口，比起其他几类接口，它的价格是更高的。
camera Link标准于2000年首次发布。这是一种强大、完善的通信链路，将相机和图像采集卡之间的连接标准化，并定义了—种完整的接口，包括提供数据传输、相机定时、串口通信和实时向相机发送信号。Camera Link是一种非封包式协议，仍为简单的相机/图像采集卡互联标准。目前在第2.0版中，标准规范包括Mini Camera Link连接件、Power over Camera Link(PoCL)、PoCL-Lite(支持base配置的PoCL接口}和电缆性能规范。
（5）coaxPress接口
CoaXPress(CXP]标准于2010年12月发布。CoaXPress为相机和图像采集卡之间提供高速接口，支持长电缆传输。在CoaXPress简单的形式中，其采用单根同轴电缆︰以高达6.25Gbits/s的速度将图像数据从相机传输至图像采集卡;同时以20.8Mbits/s的速度将控制数据从图像采集卡传输至相机﹔并可以向相机提供高达24V的电源。可使用链路聚合，采用一条以上的同轴电缆共享数据。第1.1版支持更小的DIN 1.0/2.3的连接件。

CoaXPress支持实时触发，包括触发特高速线扫描相机。通过标准的20.8Mbits/s上行链路连接至相机，触发延时为3.4微秒(μs)， 使用高速.上行链路时，触发延时一般为150ns。 目前市面上，CoaXPress已能够支持极快的相机，余量大，在一个连接件中的6条链路能够实现高达3.6 Gbytes/s的速度。