文章目录

前言
一、工业相机概述
二、CCD相机组成及工作原理
- 1.CCD传感器
- 2.CCD相机工作原理
三、CMOS相机组成及工作原理
- 1.CMOS传感器
- 2.CMOS相机工作原理
- 3.CDD与CMOS传感器对比
四、相机分类
- 1.根据芯片工艺类型
- 2.按传感器类型（像素排列方式）
- 3.按图像模式
- 4.按信号输出法
- 5.以其他方式进行分类
五、面阵相机的主要参数及应用说明
- 1.传感器尺寸
- 2.像素
- 3.像元
- 4.像元尺寸
- 5.像元深度
- 6.分辨率
- 7.精度
- 8.帧率/行频
- 9.增益
- 10.外触发
- 11.曝光时间/曝光方法
- 12.拖影
- 13.动态范围
- 14.噪声/信噪比
- 15.光谱响应
六、相机标准
- 1.GenlCam
- - 1.GenTL
  - 2.GenApi
  - 3.SFNC
  - 4.GenCP
- 2.硬件传输接口
- - 1.GigE接口
  - 2.USB接口
  - 3.IEEE1394接口
  - 4.CameraLink接口
  - 5.CoaXPress接口

前言

一、工业相机概述

相机的主要功能是收集图像。早期的相机通常是模拟相机，需要与图像采集卡一起使用。模拟电信号通过采集卡转换为数字电信号，然后传输到计算机。随着数字接口技术的发展和普及，数字相机取代了原始的模拟相机。数字相机可以遵循一定的通信协议，将收集到的图像直接转换为数字电信号。数字相机已成为机器视觉系统中的主流相机。

二、CCD相机组成及工作原理

1.CCD传感器

电荷耦合器图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它采用高灵敏度的半导体材料制成，可以将光转换为电荷，通过模数转换器芯片转换为数字信号。数字信号压缩后，由相机内的闪存存储器或内置硬盘卡保存，因此数据可以很容易地传输到计算机，并借助计算机处理，根据需要和想象修改图像。在这里插入图片描述

CCD传感器是一种新型的光电转换器，它可以存储光产生的信号电荷。当向其施加特定时间的脉冲时，可以存储信号电荷CCD实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构组成。它具有光电转换、信息存储和延迟功能，集成度高，功耗低。广泛应用于摄像头、信号处理和存储三个领域，特别是图像传感器的应用。CCD有面阵和线阵，面阵是把手CCD像素排列成一个平面器件；线阵是CCD像素排成1直线的装置。面阵主要用于军事领域CCD，所以这里主要介绍面阵阵CCD。

三、CMOS相机组成及工作原理

1.CMOS传感器

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学称为互补金属氧化物半导体，是计算机系统中重要的芯片，保存了系统指导最基本的数据。CMOS制造技术与一般计算机芯片没有区别，主要是由硅和锗制成的半导体CMOS上共存着带N（带-电）和 P（带这两种互补效应产生的电流可以被处理芯片记录并解释为图像。后来发现CMOS也可作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可以细分为被动像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

2.CMOS相机工作原理

3.CDD与CMOS传感器对比

1、成像过程 CCD 与CMOS 图像传感器的光电转换原理相同，其主要区别在于信号的读取过程不同；因为CCD统一读取只有一个(或少数)输出节点，其信号输出一致性很好；而且CMOS 在芯片中，每个像素都有自己的信号放大器，各自转换电荷-电压，其信号输出一致性较差。但是CCD 在CMOS 在芯片中，每个像元中放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，即CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。虽然降低了功耗，但数百万放大器的不一致性带来了更高的固定噪声CMOS 相对CCD 固有劣势。 2、集成性从制造工艺的角度来看，CCD 中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD 只能输出模拟电信号，需要后续地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，还需要提供三组不同电压的同步时钟控制电路，集成度很低。而CMOS它集成在被称为金属氧化物的单体材料氧化物。该工艺与生产数万台计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS 的成本相对CCD 低很多。同时CMOS 芯片可以放大图像信号，读取电路，A/D 将转换电路、图像信号处理器和控制器集成到芯片中，只有一个芯片才能实现相机的所有基本功能，集成度非常高，从而产生了芯片级相机的概念。随着CMOS 随着成像技术的不断发展，越来越多的公司能够提供高质量的产品CMOS 成像芯片包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3、速度 CCD 光敏输出只能按照规定的程序输出，速度慢。CMOS 有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读取速度要快得多。目前大部分是500fps 上述高速相机均为CMOS 相机。此外CMOS 地址选择开关可随机采样，实现子窗口输出，在只输出子窗口图像时可获得更高的速度。

4、噪声 CCD 技术发展较早，相对成熟PN 结或二氧化硅（SiO2)隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS 光电传感器有一定的优点。由于CMOS 图像传感器集成度高，各部件和电路距离近，干扰严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS 为了生产高密度、高质量的电路消噪技术的不断发展CMOS 图像传感器提供了良好的条件。

随着CMOS图像传感器技术不断进步，具有成像速度快、功耗低、成本低的优点。因此，市场上大多数工业相机都使用它CMOS图像传感器。

四、相机分类

1.根据芯片工艺类型

CMOS *CMOS 金属氧化物半导体材料集成 *CMOS低制造成本和功耗 *色彩还原能力弱 *CMOS芯片有卷帘曝光和全局曝光，前者拍静物，后者移动 CCD *CCD半导体单晶材料集成 *CCD制造成本和功耗都很高 *色彩还原性强图像锐利，清晰度好， *帧曝光和全局曝光，动静

2.根据传感器类型(像素排列)

线阵相机 *芯片为线阵 *相机和物体必须相对移动才能成像 *价格高 *行频和横向分辨率非常高 *由于传输数据量大，接口一般 GigE CameraLink CoaXPress

面阵相机 *芯片是面阵，常见的相机接口C，CS,F *物体运动静止时可以成像 *价格因性能而异 *二维图像信息可以实时直观地获取，从而更直观地测量图像。常用接口 GigE,IEEE1394 ,USB,Camera Link多种接口

3.按图像模式

彩色相机(图像为彩色) 黑白相机(图像为灰度图像)

4.按信号输出法

模拟相机，数字相机

5.按其他方式分类

按分辨率（普通分辨率相机，高分辨率相机）按输出信号速度（普通速度相机，高速相机）按相应光谱（可见光相机，红外线相机，紫外线相机）

五、面阵相机的主要参数及应用说明

1.传感器尺寸

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测量。在工业上面阵相机常用传感器尺寸如下表：

2.像素

像素是图像最小组成单元。将任意图片局部放大，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

像元是相机芯片上最小感光单位，每一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等等。相同尺寸的芯片，外部光照环境和相机参数设置相同（比如曝光时间与增益）的情况下，像元尺寸越大，接受光子越多，芯片灵敏度越高，感光性越好，图越亮。

5.像元深度

像素深度是指存储每个像素所用的位数，也用它来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那么一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是16 777 216（2的24次方）种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深。

6.分辨率

分辨率，又称解析度、解像度，可以细分为显示分辨率、图像分辨率、打印分辨率和扫描分辨率等。显示分辨率（屏幕分辨率）是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标。可以把整个图像想象成是一个大型的棋盘，而分辨率的表示方式就是所有经线和纬线交叉点的数目。显示分辨率一定的情况下，显示屏越小图像越清晰，反之，显示屏大小固定时，显示分辨率越高图像越清晰。例如一个相机的分辨率为1280x1024，表示每行有1280个像元，共1024行像元，此相机分辨率约为130w像素。

7.精度

图像中每个像素代表实际物理尺寸。精度=单方向视场大小/相机单方向分辨率 eg：视场水平方向的长度为32mm，相机水平分辨率1600，求得视觉系统精度每像素0.02mm。在实际应用中，理论精度要高于要求精度才能保证系统稳定性。

8.帧率/行频

相机采集频率，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（帧每秒）指每秒能采集多少张图；线阵相机行频单位为HZ，指每秒多少行图像。分辨率越高，帧率、行频越小。

9.增益

输入信号与输出信号放大比例，用来提高整体画面亮度，单位DB。

10.外触发

外触发是一种被动的输出模式，实时性高，比如抓拍运动的物体。触发信号可以由软件产生，也可以由传感器/机械开关产生，叫软/硬触发。
  工业相机的外触发
  工业相机外触发就是通过软件、传感器或机械开关给工业相机一个信号，相机接到这个信号后实施拍照动作。抓拍的张数可以通过软件设定，利用软件延时可以抓拍两张，三张，甚至更多。例如，在道路监控系统中，工业相机的外触发是通过雷达或线圈测速产生的，当雷达或者线圈检测到车辆时，就会给工业相机一个信号，同时给出车辆实时速度，工业相机接收到信号后，就会进行抓拍动作，软件得到实时速度数据后，与预先设定的速度数据相比，若大于设定速度数据，则认为超速，并在拍完第一张图片后，延时抓拍第二张照片，从而对超速车辆实施罚款措施。
  工业相机的触发方式
  1、软件触发模式：对动态检测可选择，产品连续运动能给触发信号的可选择；
  2、硬件触发模式：对高速动态检测可选择，产品连续高速运动能给触发信号的可选择；
  3、连续采集模式：对静态检测可选择，产品连续运动不能给触发信号的可选择。

11.曝光时间/曝光方式

曝光时间是为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间。视照相感光材料的感光度和对感光面上的照度而定。曝光时间长的话进的光就多，适合光线条件比较差的情况。曝光时间短则适合光线比较好的情况外触发同步采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设置一个固定时间。工业相机中暴光反射为行曝光与帧曝光。

12.拖影

拍摄过程中，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。在这里插入图片描述

13.动态范围

动态范围(或曝光范围)是相机捕捉的光强的范围，通常表示为f-Stops,EV(曝光值)，或区段(曝光范围)。它与噪点密切相关:高噪点意味着低动态范围。它也与阶调响应密切相关(阶调响应是指光强与像素级之间的关系(如下所示)。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（noise）主要是指CCD（CMOS）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，通常由电子干扰产生。这些噪音信号就会污染画面的纯净度。信噪比为相机系统中真实图像信号与图像信噪的比例。

15.光谱响应

  光谱响应指相机芯片对不同波长的光线的响应能力，一般由光谱响应曲线表示。（根据相机芯片响应光谱不同，可把相机分为 普通相机，红外相机，紫外相机）

工业相机选型

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