工业机器人系统技术应用知识点26：机器视觉系统相机的选型

  在机器视觉系统的选型中，需要先对相机进行选型，进而选择镜头，最后选择光源。

  工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，选择正真适合的相机也是机器视觉系统模块设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，还与总系统的运行模式直接相关。相机的选择需考虑如下几个因素：

  ①模拟相机。模拟相机必须有图像采集卡，标准的模拟相机分辨率很低，一般为 768×576 像素，且帧率也是固定的（25 帧/s）。模拟相机采集到的是模拟信号，经数字采集卡转换为数字信号进行传输、存储。模拟信号可能会由于工厂内别的设备（如电动机或高压电缆）的电磁噪声干扰而造成失真，随着噪声水平的提高，模拟相机的动态范围（原始信号与噪声之比）会降低，动态范围决定了有多少信息能够从相机传输给计算机。

  ②数字相机。数字相机采集到的是数字信号，数字信号不受电磁噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。

  根据系统的需求来选择相机的分辨率，下面以一个应用案例来分析。应用案例：假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为 10 mm×8 mm，要求的检测精度是 0.01 mm。首先假设要拍摄的视野范围为 12 mm×10 mm，那么应选择的相机其最低分辨率：（12/0.01）×（10/0.01）＝1 200×1 000，约为 120 万像素，即如果一像素对应一个检测缺陷，最低分辨率必须不小于 120 万像素，而常见的相机是 130万像素，因此一般都会采用 130 万像素的相机。

  如果要求拍摄的物体是运动的，要处理的对象也是实时运动的，则选择 CCD 芯片的相机更为合适。但厂商生产的 CMOS 相机如果采用帧曝光的方式，也可以当作 CCD 来使用。如果被拍摄的物体运动的速度很慢，在设定的相机曝光时间范围内，物体运动的距离很小，换算成像素大小为 1～2 像素，那么选择 CMOS 相机也是合适的，因为在曝光时间内，1～2 像素的偏差人眼根本看不出来（若不是用于测量的线 像素的偏差，物体拍出来的图像就有拖影，这样就不能选择 CMOS 相机了。

  如果要处理的信息与图像颜色有关，则采用彩色相机，否则建议选用黑白相机，因为同样分辨率的相机，黑白相机的精度比彩色的高，尤其是在看图像边缘时，黑白的效果更好。而且，在进行图像处理时，黑白工业相机得到的是灰度信息，可直接处理。

  根据要检测的速度选择相机的帧率时，相机帧率一定要不小于检测速度。其中，相机帧率等于检测速度的情况，要求图像的处理在相机的曝光和传输的时间内完成。正常的情况下，分辨率越高，帧率越低。

  一般只在两种情况下使用线阵工业相机：一是被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题，实现对运动物体的连续监测；二是需要极大的视野或极高的精度。线阵型工业相机价格昂贵，只用在极特殊情况下的工业、医疗、科研与安全领域的图像处理。

  对于静止检测或一般低速的检测，第一先考虑使用面阵相机，面阵传感器芯片及相机如图 4.14 所示；对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机，线阵传感器芯片及相机如图 4.15 所示。

  根据传输的距离、传输的数据大小（带宽）选择 USB、IEEE1394、Cameralink、GigE等类型接口的相机，如图 4.16 所示。

  USB 即 Universal Serial Bus，中文名称为通用串行总线。USB 接口较多地用在商业、娱乐上，例如 USB 摄像头。USB 工业相机型号也比较少，在工业中的使用程度不高。但正是因为 USB 摄像头价格低，所以通常把 USB 摄像头作为机器视觉学习的入门硬件平台。

  IEEE1394 接口为苹果公司开发的串行接口标准，又称 Firewire 接口。在工业领域中应用十分普遍，常用的是 400 Mbit/s 的 1394A 接口和 800 Mbit/s 的 1394B 接口。其协议、编码方式很好，传输速度也较为稳定，且 IEEE1394 接口，特别是 1394B 接口，都有坚固63 的螺丝。此外，IEEE1394 接口虽然占用 CPU 资源少，可多台同时使用，但由于该接口的普及率不高，需要额外的采集卡。

  Cameralink 接口的传输速度是目前工业相机中最快的一种总线类型，通常用于高分辨率高速面阵相机，或者是线阵相机。但 Cameralink 接口需要额外购买图像采集卡，且成本比较高。此外，Cameralink 接口也适合近距离传输。

  GigE（即千兆以太网）是建立在以太网标准基础之上的技术，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范。作为以太网的一个组成部分，GigE 也支持流量管理技术，以保证在以太网上的服务的品质。GigE 接口的工业相机，协议稳定，是近几年市场应用的重点，使用起来更便捷，连接到吉比特网卡上即能正常工作。

  目前光纤信道技术的数据运行速率为 1.065 3 Gbit/s，使数据速率达到完整的 1 000 Mbit/s，传输距离为 100 m。可多台同时使用，CPU 占用率小。

  靶面尺寸的大小会影响到镜头焦距的长短，在相同视角下，靶面尺寸越大，焦距越长。在选择相机时，特别是对拍摄角度有比较严格的要求时，靶面的大小以及与镜头的配合情况都将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。因此，要结合镜头的焦距、视场角来选择靶面尺寸；一般而言，选择靶面时要结合物理安装的空间来决定镜头的工作距离是否在安装空间范围内，要求镜头的尺寸一定要不小于相机的靶面尺寸。

  在参数相同的情况下，不一样的品牌的相机价格会各不相同，可考察对比不一样的品牌参数相同的相机，选用效果、价格综合最优的相机。