摘要：隨著視覺(jué)檢測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高。工業(yè)相機(jī)作為視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的核心組件，直接影響其性能的發(fā)揮。但工業(yè)相機(jī)種類多樣，應(yīng)用場(chǎng)景各不相同，難以區(qū)分辨別。本文通過(guò)對(duì)工業(yè)相機(jī)各個(gè)主要類型的分析，有助于選擇合適的工業(yè)相機(jī)。

　　視覺(jué)檢測(cè)作為提高自動(dòng)化生產(chǎn)效率的重要措施之一，目前廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、汽車、印刷包裝、市政交通等眾多行業(yè)。工業(yè)相機(jī)可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成有序的電信號(hào)，是視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

　　工業(yè)相機(jī)相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，具有更高的傳輸能力、圖像穩(wěn)定性以及抗干擾能力等。其采用逐行掃描的圖像傳感器，快門時(shí)間短，可以抓拍快速運(yùn)動(dòng)的物體。拍攝速度非常快，每秒可以拍攝十幅到幾百幅的圖片。此外，工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)，適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，普遍應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中。此外，相機(jī)的選擇不僅直接關(guān)系到所采集圖像的分辨率及質(zhì)量等，而且還影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，因此選擇合適的相機(jī)成為搭建視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

　　工業(yè)相機(jī)按照分類的不同，又分為很多種。按照數(shù)據(jù)接口類型，分為GigE接口相機(jī)、Firewire接口相機(jī)、USB接口相機(jī)等;按照芯片類型，又為CCD相機(jī)和CMOS相機(jī);按照輸出模式類型，還分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)。此外，工業(yè)相機(jī)還有其它不同的分類方法。本文主要對(duì)相機(jī)的上述三種分類進(jìn)行對(duì)比分析。

　　工業(yè)相機(jī)芯片類型對(duì)比分析

　　CMOS是指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，CCD是指電荷耦合器件，兩者都是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，主要在把光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法上存在區(qū)別。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸方式不同，所以CCD與CMOS在性能上存在諸多差異。

　　分辨率方面，CMOS的每個(gè)像素都比CCD復(fù)雜，且其像素尺寸很難達(dá)到CCD的水平，因此相同尺寸的CCD與CMOS比較，通常CCD的分辨率比CMOS要好，也就是成像質(zhì)量更加優(yōu)秀。

　　噪聲方面，由于CMOS的每個(gè)感光二極管都需要搭配一個(gè)放大器，因此需要較多的放大器。而CCD只要在芯片邊緣安置一個(gè)放大器。兩者相比，CCD的噪聲相對(duì)CMOS較小，有利于提高圖像質(zhì)量。

　　靈敏度方面，CMOS信號(hào)以點(diǎn)為單位的電荷信號(hào)，以點(diǎn)直接讀取信號(hào);而CCD是以行為單位的電流信號(hào)，以行間接讀取信號(hào)，因此在像素尺寸相同的情況下，CMOS的靈敏度要低于CCD。

　　耗電量方面，由于CMOS為主動(dòng)式圖像采集方式，而CCD采用被動(dòng)式采集方式，因此CMOS的電荷傳輸可以由電晶體放大輸出，而CCD需要外加12~18V的電壓，才能讓像素中的電荷移送到傳輸通道。為此CCD的電源線路在精密性和耐壓強(qiáng)度方面要求更高，耗電量也就相比CMOS高出許多，一般CCD的耗電量是CMOS的8-10倍。

　　成本方面，CMOS的生產(chǎn)工藝與大規(guī)模集成電路的相同，可以將周邊設(shè)施一次性都整合至傳感器芯片中，有效減少了外圍芯片的成本;而CCD數(shù)據(jù)輸出依賴電荷傳遞，其中如果有像素在傳遞中出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么一整排的數(shù)據(jù)也都沒(méi)法正常傳送，所以與CMOS相比，控制CCD的成品率難度更大，導(dǎo)致在制造成本方面，CCD相對(duì)高于CMOS。

　　綜合來(lái)看，CCD在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面具有優(yōu)勢(shì)，但CMOS具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。但是隨著CCD與CMOS技術(shù)的進(jìn)步，兩者各補(bǔ)所短，差異將逐步縮小。

　　工業(yè)相機(jī)輸出模式類型對(duì)比分析

　　模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)之間的主要區(qū)別在于圖像被數(shù)字化的地方不同。數(shù)字相機(jī)在相機(jī)里將信號(hào)數(shù)字化，并且通過(guò)串行總線接口將信號(hào)以數(shù)字方式傳輸給計(jì)算機(jī)(或圖像處理器)。而在另一方面，模擬相機(jī)系統(tǒng)并不是在其內(nèi)部將圖像信號(hào)數(shù)字化(數(shù)字化是由計(jì)算機(jī)完成的)，所以，模擬信息是通過(guò)同軸電纜而進(jìn)行傳輸?shù)?。盡管兩種方法都能夠有效地傳輸信號(hào)，但模擬信號(hào)容易受到電磁干擾而失真，數(shù)字信號(hào)抗干擾性能較好，能夠傳輸更精確的信號(hào)。

　　分辨率方面，模擬相機(jī)的分辨率被限制在大約640×480像素，而數(shù)字相機(jī)能夠達(dá)到80兆像素甚至更高。模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)典型的像素大小在3微米到20微米范圍內(nèi)。幀速方面，由于一般情況下像素?cái)?shù)和幀速之間存在著相互影響，相機(jī)的像素?cái)?shù)越多，其幀速越低。因此一般模擬相機(jī)較分辨率較高的數(shù)字相機(jī)而言幀速明顯較高。

　　成本方面，一般數(shù)字相機(jī)的單價(jià)高于模擬相機(jī)，且典型的數(shù)字相機(jī)安裝和設(shè)定所要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。但一般需要的數(shù)字相機(jī)數(shù)量相對(duì)較少，維護(hù)成本也較低。而且同分辨率的情況下數(shù)字相機(jī)的能耗不足模擬相機(jī)的1/5。另外，數(shù)字相機(jī)的可以現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)，而模擬相機(jī)返廠升級(jí)。

　　綜合考慮工業(yè)相機(jī)的性能和成本，雖然工業(yè)模擬相機(jī)價(jià)格一半低于工業(yè)數(shù)字相機(jī)，但其分辨率和圖像質(zhì)量不高，應(yīng)用局限較多。數(shù)字相機(jī)一般較為昂貴，但為要求高速度、高準(zhǔn)確度和高精度的應(yīng)用，通常也值得付出高成本。

　　工業(yè)相機(jī)數(shù)據(jù)接口類型對(duì)比分析

　　根據(jù)傳輸?shù)木嚯x、穩(wěn)定性、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小(帶寬)等特點(diǎn)，可以選擇USB、Firewire、Camera Link等不同接口的相機(jī)。USB接口具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、使用便捷、可連接多個(gè)設(shè)備等特點(diǎn);但其沒(méi)有工業(yè)圖像傳輸標(biāo)準(zhǔn)、傳輸距離短、穩(wěn)定性不高，不是最優(yōu)選擇。Firewire具有高速率、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、采用總線結(jié)構(gòu)、即插即用等特點(diǎn)，但由于其不能廣泛應(yīng)用，目前支持的廠商越來(lái)越少。CamerLink具有高速率，帶寬可達(dá)6400Mbps、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。GigE具有拓展性好、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、易集成、較簡(jiǎn)易、便于管理維護(hù)等特點(diǎn)。其中在GigE目前在機(jī)器視覺(jué)中應(yīng)用最為廣泛。

　　圖1 不同數(shù)據(jù)接口的技術(shù)特點(diǎn)

　　綜上所述，不同的工業(yè)相機(jī)一般都要具有自身的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合。對(duì)于工業(yè)相機(jī)的選擇，還要根據(jù)相機(jī)所應(yīng)用的環(huán)境以及生產(chǎn)線對(duì)于成本的控制來(lái)定。

　　結(jié)語(yǔ)

　　工業(yè)相機(jī)的選擇直接決定著視覺(jué)檢測(cè)的效果，因此選擇合適的工業(yè)相機(jī)十分關(guān)鍵。其不同的類型各具特點(diǎn)，需要綜合工業(yè)相機(jī)的性能與成本等因素進(jìn)行考慮，最大限度的提高其性價(jià)比。