图像处理基础知识笔记11
116、机器视觉选择合适工业相机
1.应用不同选用ccd或cmos
ccd工业相机主要应用在运动物体的图像提取，如贴片机机器视觉，当然随着cmos技术的发展，许多贴片机也在选用cmos工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用ccd工业相机比较多。 cmos工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。
ccd尺寸的解释：基本上，常用的 ccd 尺寸并不是『单位』而是『比例 』！ 1英吋 ccd size = 长 12.8mm x 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积。根据『勾股定理』，可得出该三角之三边比例为 4：3：5；换句话说，我无须给你完整的面积参数，只要给你该三角形最长一边长度，你就可以透过简单的定理换算回来。有了固定单位的 ccd 尺寸就不难了解余下 ccd size 比例定义了，例如: 1/2 ccd size 的对角线就是 1的一半为8mm，面积约为 [(8/5) 4 (8/5)*3]/122.88=1/4。
2.与镜头的匹配
传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，c或cs安装座也要匹配（或者增加转接口）；
3.像素深度（pixel depth）
即每像素数据的位数，一般常用的是8bit，对于数字相机机一般还会有10bit、12bit等。
4.扫描类型(scan type)
相机中的成像元件是ccd芯片。如果ccd芯片只有一行感光器件(如图2.2左所示)，换句话说，每次只能对物体的一条线进行成像，那么，这种扫描类型成为线扫描(line scan)，这样的相机称为线阵相机。如果ccd芯片的感光区是个矩形阵面(如图2.2右所示)，换句话说，每次能对物体进行整体成像，那么，这种扫描类型成为面扫描(line scan)，这样的相机称为面阵相机。
面阵相机的优点是价格便宜，处理方面，可以直接获得一幅完整的图像。线阵相机的优点是速度快，分辨率高，可以实现运动物体的连续检测，比如传送带上的滤波等带状物体(这种情况下，面阵相机很难检测)；其缺点是需要拼接图像的后续处理。图2.3给出了线阵相机的一个成像实例，以帮助大家更好的理解线阵相机的成像过程。
按照扫描方式不同，面阵相机还可以分为隔行扫描(interlaced scan)和逐行扫描(progressive scan)。隔行扫描方式下一幅完整图像分两次显示，首先显示奇数场（1、3、5……），再显示偶数场（2、4、6……），如图2.4所示。
隔行扫描相机的优点是价格便宜，但由于隔行扫描方式是先扫奇数场，再扫偶数场，所以隔行扫描相机在拍运动物体的时候容易出现锯齿状边缘或叠影。
逐行扫描相机则没有上述的缺点，由于所有行同时曝光，不会分先后，所以在拍摄运动图像画面清晰，失真小。其余参数相似的情况下，逐行扫描相机要比隔行扫描相机贵。
5.相机分辨率
分辨率是影响图像效果的重要因素，我们一般用水平和垂直方向上所能显示的像素数来表示分辨率，例如640×480。该值越大图形文件所占用的磁盘空间也就越多，从而图像的细节表现得更充分。
与分辨率联系非常紧密的参数是视场(field of view)和特征分辨率
需要选择合适的分辨率，根据系统的需求来选择相机分辨率的大小，通常系统的像素精度等于视场（长或宽）除以相机分辨率（长或宽）。如视场为10mm×7.5mm，使用130万像素的相机，则相机分辨率为1280×960pixel，则像素精度为10mm÷1280pixel=0.0078mm/pixel；下面以一个应用案例来分析。 假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为108mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在1210mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳 。
特征分辨率(feature resolution)，如图2.5所示。视场是指能拍摄到的范围，特征分辨率是指能分辨的实际物理尺寸。
ni vision module中的图像算法要求，物体最小的特征需要两个像素来表示，根据视场和相机分辨率，我们可以计算出特征分辨率。计算特征分辨率的公式为： 特征分辨率 = 视场/分辨率 * 2
例如：相机分辨率为640 x 480，横向的视场是60mm，那么在横向的特征分辨率为：60/640*2 = 0.1875 mm。
6.相机的图像传输方式
按照不同的图像传输方式，相机可以大略的分为模拟相机和数字相机。
模拟相机（pci采集卡）
对速度，精度要求不高可选择 。优点：稳定，性价比高 缺点：帧率低，一般只能达到25帧—30帧 ，分辨率不高等。在高速、高精度机器视觉应用中，一般都会考虑数字相机。
数字相机
数字相机先把图像信号数字化后通过数字接口传到电脑中。常见的数字相机接口有firewire、cameralink、gige和usb。
（1）firewire即ieee1394，开始是为数字相机和pc连接设计的，它的特点是速度快(400mbits/s)，通过总线供电和支持热插拔。另外值得一提的是，如果pc上自带firewire接口，那么不需要为相机额外购买一块图像采集卡了，这在成本上也是一种优势。优点：不占系统cpu，帧频高， 缺点：占pci插槽，价格昂贵
（2）camera link是一个工业高速串口数据连接标准，它是由national instruments、摄像头供应商和其他图像采集公司在2000年10月联合推出的，它在一开始就对接线、数据格式、触发、相机控制等做了考虑，所以非常方便机器视觉应用。camera link的数据传输率可达1gbits/s，可提供高速率、高分辨率和高数字化率，信噪比也大大改善。camera link的标准数据线长3米，最长可达10米。如果是高速或高分辨率的应用，camera link肯定是首选。需要接图像采集卡，成本较高。
（3）gige即千兆以太网接口，它综合了高速数据传输和远距离的特点，而且电缆便宜(网线)。缺点是支持这种接口的相机型号比较少，选择有限。
（4）usb接口工业数字相机是采用了高速usb2.0 接口和大面阵cmos图像传感器的高分辨率数字相机产品。此系列不需要额外的采集设备即可获得实时无压缩视频数据和对图像的捕捉。全面兼容microsoft windows所有应用环境,适用于计算机图像采集的各种应用场合。现在usb3.0接口的工业相机也问世了，传输速度是usb2.0接口的5倍多。在医疗、科技和工业等光电技术应用方面称霸的德国net相机就是usb3.0接口
优点：不需要占pci插槽，帧频高，性价比高 缺点：占系统cpu
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2.与镜头的匹配
传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，c或cs安装座也要匹配（或者增加转接口）；
3.像素深度（pixel depth）
即每像素数据的位数，一般常用的是8bit，对于数字相机机一般还会有10bit、12bit等。
4.扫描类型(scan type)
相机中的成像元件是ccd芯片。如果ccd芯片只有一行感光器件(如图2.2左所示)，换句话说，每次只能对物体的一条线进行成像，那么，这种扫描类型成为线扫描(line scan)，这样的相机称为线阵相机。如果ccd芯片的感光区是个矩形阵面(如图2.2右所示)，换句话说，每次能对物体进行整体成像，那么，这种扫描类型成为面扫描(line scan)，这样的相机称为面阵相机。
面阵相机的优点是价格便宜，处理方面，可以直接获得一幅完整的图像。线阵相机的优点是速度快，分辨率高，可以实现运动物体的连续检测，比如传送带上的滤波等带状物体(这种情况下，面阵相机很难检测)；其缺点是需要拼接图像的后续处理。图2.3给出了线阵相机的一个成像实例，以帮助大家更好的理解线阵相机的成像过程。
按照扫描方式不同，面阵相机还可以分为隔行扫描(interlaced scan)和逐行扫描(progressive scan)。隔行扫描方式下一幅完整图像分两次显示，首先显示奇数场（1、3、5……），再显示偶数场（2、4、6……），如图2.4所示。
隔行扫描相机的优点是价格便宜，但由于隔行扫描方式是先扫奇数场，再扫偶数场，所以隔行扫描相机在拍运动物体的时候容易出现锯齿状边缘或叠影。
逐行扫描相机则没有上述的缺点，由于所有行同时曝光，不会分先后，所以在拍摄运动图像画面清晰，失真小。其余参数相似的情况下，逐行扫描相机要比隔行扫描相机贵。
5.相机分辨率
分辨率是影响图像效果的重要因素，我们一般用水平和垂直方向上所能显示的像素数来表示分辨率，例如640×480。该值越大图形文件所占用的磁盘空间也就越多，从而图像的细节表现得更充分。
与分辨率联系非常紧密的参数是视场(field of view)和特征分辨率
需要选择合适的分辨率，根据系统的需求来选择相机分辨率的大小，通常系统的像素精度等于视场（长或宽）除以相机分辨率（长或宽）。如视场为10mm×7.5mm，使用130万像素的相机，则相机分辨率为1280×960pixel，则像素精度为10mm÷1280pixel=0.0078mm/pixel；下面以一个应用案例来分析。 假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为108mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在1210mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳 。
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例如：相机分辨率为640 x 480，横向的视场是60mm，那么在横向的特征分辨率为：60/640*2 = 0.1875 mm。
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数字相机
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