视觉检测系统中如何选择工业相机？

　　摘要：随着视觉检测的应用越来越广泛，市场对其性能的要求也越来越高。工业相机作为视觉检测系统中的核心组件，直接影响其性能的发挥。但工业相机种类多样，应用场景各不相同，难以区分辨别。本文通过对工业相机各个主要类型的分析，有助于选择合适的工业相机。

　　视觉检测作为提高自动化生产效率的重要措施之一，目前广泛应用于半导体、汽车、印刷包装、市政交通等众多行业。工业相机可以将光信号转化成有序的电信号，是视觉检测系统中的关键组件。

　　工业相机相比于传统的民用相机而言，具有更高的传输能力、图像稳定性以及抗干扰能力等。其采用逐行扫描的图像传感器，快门时间短，可以抓拍快速运动的物体。拍摄速度非常快，每秒可以拍摄十幅到几百幅的图片。此外，工业相机输出的是裸数据，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。此外，相机的选择不仅直接关系到所采集图像的分辨率及质量等，而且还影响到整个系统的运行模式，因此选择合适的相机成为搭建视觉检测系统中的重要环节。

　　工业相机按照分类的不同，又分为很多种。按照数据接口类型，分为GigE接口相机、Firewire接口相机、USB接口相机等;按照芯片类型，又为CCD相机和CMOS相机;按照输出模式类型，还分为模拟相机和数字相机。此外，工业相机还有其它不同的分类方法。本文主要对相机的上述三种分类进行对比分析。

　　工业相机芯片类型对比分析

　　CMOS是指互补金属氧化物半导体，CCD是指电荷耦合器件，两者都是利用感光二极管进行光电转换，主要在把光转换为电信号的方法上存在区别。因为数据传输方式不同，所以CCD与CMOS在性能上存在诸多差异。

　　分辨率方面，CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此相同尺寸的CCD与CMOS比较，通常CCD的分辨率比CMOS要好，也就是成像质量更加优秀。

　　噪声方面，由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器，因此需要较多的放大器。而CCD只要在芯片边缘安置一个放大器。两者相比，CCD的噪声相对CMOS较小，有利于提高图像质量。

　　灵敏度方面，CMOS信号以点为单位的电荷信号，以点直接读取信号;而CCD是以行为单位的电流信号，以行间接读取信号，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。

　　耗电量方面，由于CMOS为主动式图像采集方式，而CCD采用被动式采集方式，因此CMOS的电荷传输可以由电晶体放大输出，而CCD需要外加12~18V的电压，才能让像素中的电荷移送到传输通道。为此CCD的电源线路在精密性和耐压强度方面要求更高，耗电量也就相比CMOS高出许多，一般CCD的耗电量是CMOS的8-10倍。

　　成本方面，CMOS的生产工艺与大规模集成电路的相同，可以将周边设施一次性都整合至传感器芯片中，有效减少了外围芯片的成本;而CCD数据输出依赖电荷传递，其中如果有像素在传递中出现错误，那么一整排的数据也都没法正常传送，所以与CMOS相比，控制CCD的成品率难度更大，导致在制造成本方面，CCD相对高于CMOS。

　　综合来看，CCD在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面具有优势，但CMOS具有低成本、低功耗的特点。但是随着CCD与CMOS技术的进步，两者各补所短，差异将逐步缩小。

　　工业相机输出模式类型对比分析

　　模拟相机和数字相机之间的主要区别在于图像被数字化的地方不同。数字相机在相机里将信号数字化，并且通过串行总线接口将信号以数字方式传输给计算机(或图像处理器)。而在另一方面，模拟相机系统并不是在其内部将图像信号数字化(数字化是由计算机完成的)，所以，模拟信息是通过同轴电缆而进行传输的。尽管两种方法都能够有效地传输信号，但模拟信号容易受到电磁干扰而失真，数字信号抗干扰性能较好，能够传输更精确的信号。

　　分辨率方面，模拟相机的分辨率被限制在大约640×480像素，而数字相机能够达到80兆像素甚至更高。模拟相机和数字相机典型的像素大小在3微米到20微米范围内。帧速方面，由于一般情况下像素数和帧速之间存在着相互影响，相机的像素数越多，其帧速越低。因此一般模拟相机较分辨率较高的数字相机而言帧速明显较高。

　　成本方面，一般数字相机的单价高于模拟相机，且典型的数字相机安装和设定所要的时间相对较长。但一般需要的数字相机数量相对较少，维护成本也较低。而且同分辨率的情况下数字相机的能耗不足模拟相机的1/5。另外，数字相机的可以现场固件升级，而模拟相机返厂升级。

　　综合考虑工业相机的性能和成本，虽然工业模拟相机价格一半低于工业数字相机，但其分辨率和图像质量不高，应用局限较多。数字相机一般较为昂贵，但为要求高速度、高准确度和高精度的应用，通常也值得付出高成本。

　　工业相机数据接口类型对比分析

　　根据传输的距离、稳定性、传输的数据大小(带宽)等特点，可以选择USB、Firewire、Camera Link等不同接口的相机。USB接口具有标准统一、使用便捷、可连接多个设备等特点;但其没有工业图像传输标准、传输距离短、稳定性不高，不是最优选择。Firewire具有高速率、数据传输实时性、采用总线结构、即插即用等特点，但由于其不能广泛应用，目前支持的厂商越来越少。CamerLink具有高速率，带宽可达6400Mbps、抗干扰能力强、功耗低等特点。GigE具有拓展性好、经济性好、可靠性高、易集成、较简易、便于管理维护等特点。其中在GigE目前在机器视觉中应用最为广泛。

　　图1 不同数据接口的技术特点

　　综上所述，不同的工业相机一般都要具有自身的特点和使用场合。对于工业相机的选择，还要根据相机所应用的环境以及生产线对于成本的控制来定。

　　结语

　　工业相机的选择直接决定着视觉检测的效果，因此选择合适的工业相机十分关键。其不同的类型各具特点，需要综合工业相机的性能与成本等因素进行考虑，最大限度的提高其性价比。