工业互联网（十三）——工业相机相关知识（初学者必备）_行曝光和帧曝光

1.工业相机相关知识（初学者必备）

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是通过传感器将光信号转变成有序的电信号，通过线缆传输至电脑终端实现图像采集和保存等操作，工业相机在机器视觉系统中处于重要位置，下面我们介绍工业相机相关知识。

传感器类型

工业相机按照芯片类型可以分为 CCD 相机、 CMOS 相机， 其作用都是将光信号转换为电信号的器件，但
是工作原理却不同， 比如 CMOS 传感器每个像素点都有一个电信号放大器， 因此每个像素点有效感光面积
会小于同尺寸的 CCD， 从成像效果来说跟 CCD 有一定差距， 同样的环境下 CMOS 表现为噪声大， 感光度
差，但是其工作效率比较高， 价格也比较低廉，适合低端用户。

扫描方式

工业相机按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机， 线扫描相机传感器通常只有 1 行（ 或 2~3
行） 像素， 工作时类似于扫描仪， 对这一行像素进行循环曝光（具体顺序不同相机略有区别） ， 因此一般
需要配备运动装置， 无论相机运动还是被测物运动均可， 但都需要运动速度与采集速度完全匹配才能扫描
出最真实的画面， 否则画面会压缩或者拉伸， 面阵相机传感器是像素点按照矩阵排列， 传感器曝光（行曝
光或帧曝光） 完成后直接输出一帧图像；

分辨率

工业相机传感器（ Sensor） 由许多像素点(Pixel)按照矩阵形式进行排列， 分辨率用来描述像素点的分布，
一般为由横向像素点数（ H） ×竖向像素点数（ V） ， 其乘积一般接近于相机的像素值， 常用面阵工业相机
像素值为 130 万、 200 万、 500 万像素等， 线扫工业相机一般按照横向像素点数（ H） 划分为 1K、 2K、 4K、
6K、 8K 等

像素尺寸

每个像素的实际大小，一般为正方形， 单位 μm；

传感器尺寸

面阵传感器： 传感器长宽比一般为 4:3，对角线实际长度为传感器尺寸， 表示为(X/Y)×1″（ 1″=16mm） ，常
用为 1/3″、 1/2″、 2/3″， 利用勾股定理可算出传感器长度和宽度， 如 2/3″实际尺寸为 8.8mm×6.6mm。

帧率

针对面阵相机， 指每秒钟传感器曝光次数， 一般为最大曝光次数；

行频

针对线扫相机，指每秒钟传感器曝光多少行， 一般为最大曝光多少行，单位 Hz；

帧存

相机内部一个存储单元，主要用于将传感器采集到的图像数据进行存储，然后再向电脑传输， 一般存储 2
张以上图片数据， 可防止因为数据堵塞造成的数据丢失；

数据位数

数据位数也叫像素位深， 一般为 8 位、 12 位、 14 位、 16 位等，主要是指在相机内部进行模拟信号转数字
信号后，使用多少位数据来描述单个像素点的图像信息， 一般来说数据位数越高获取的数据越精确；

曝光时间

传感器将光信号转换为电信号形成一帧图像， 这个接受光信号的过程叫曝光， 所花费的时间叫曝光时间，
也叫快门速度；

曝光方式

面阵相机： 分为行曝光 (Rolling shutter)与帧曝光(global shutter)， 行曝光也叫卷帘快门，帧曝光也叫全局
快门， 行曝光（ 卷帘快门） 是指从传感器左上角开始一行一行曝光，帧曝光（ 全局快门） 是指整个传感器
所有像素同时曝光；
线扫相机：根据不同的相机有不同的曝光方式，如从左到右曝光或者从左右向中间曝光等；

Bayer彩色

Bayer 彩色转换是实现 CCD 或 CMOS 传感器拍摄彩色图像的主要技术之一，由于传感器每个像素仅能采
集一种颜色信息， 参照模拟人眼对色彩的敏感程度， 将 2×2 像素阵列（ 1 红 2 绿 1 蓝） 的方式将灰度信息
转换成彩色信息它是一个 4×4 阵列，由 8 个绿色、 4 个蓝色和 4 个红色像素组成，在将灰度图形转换为彩
色图片时会以 2×2 矩阵进行 9 次运算，最后生成一幅彩色图形

白平衡

简单地说白平衡就是无论环境光线如何，仍然把“白”定义为“白”的一种功能， 由于传感器本身没有这
种功能， 因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正，这种修正就叫做白平衡， 一般来说彩色相机配套
软件中都有这个参数，调节 R、 G、 B 三色（部分相机调节其中的两种颜色） ， 以得到逼真的色彩；

采集模式

采集模式分为连续采集、外触发、软触发三种模式；

连续采集模式
相机进行连续曝光，输出实时图像数据；

外触发模式
相机进入外触发模式后， 相机处于待机状态，不进行曝光，只有当相机通过 I/O 口接收到相机规定的单个
脉冲（方波） 信号后， 传感器曝光一次，部分相机支持脉冲信号的上升沿、下降沿、高/低电平触发；

软触发模式
相机进入外触发模式后， 相机处于待机状态，不进行曝光，只有当相机接收软件发出的指令后， 传感器曝
光一次；

镜头接口

工业相机与镜头连接的接口标准，主要接口有 CS（安防、监控行业为主） 、 C、 F， 不同接口直径、螺纹、
镜片距离相机传感器之间的距离不同；

断点续传

相机在正常使用时， 由于网线脱落导致相机丢失， 在重新连接成功后，可以继续获取图像数据；

交叠触发

交叠触发是指传感器在曝光一帧图像后，在图像数据从传感器向外读出时，即可进行下一帧图像的曝光，
一般相机必须数据读出结束后才可以进行下一帧图像的曝光；

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2.视觉工程师必须知道的工业相机50问，绝对干货！

https://mp.weixin.qq.com/s/QeQEloq5BkWZSkccP-MaBA?

https://blog.csdn.net/Taily_Duan/article/details/78330949?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.channel_param&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.channel_param

机器人视觉应用，是指南车标准课程之一，更多精彩课程，请继续关注我们。

1：工业相机的丢帧的问题是由什么原因引起的?

经常会有一些机器视觉工程师认为USB接口的工业相机会造成丢帧现象。一般而言，工业相机丢帧与工业相机所采用的传输接口是没有关系的，无论是USB，还是1394、GigE、或者是CameraLink。设计不良的驱动程序或工业相机硬件才是造成丢帧的真正原因：设计不良的工业相机之所以会发生丢帧的现象，其实就是资料通道的堵塞，无法及时处理,所以新的图像进来时，前一张可能被迫丢弃，或是新的图像被迫丢弃。要解决这问题，需要设计者针对驱动程序与工业相机硬件资料传输的每个环节进行精密的设计。

2：工业相机输入、输出接口有哪些?

在机器视觉检测技术中，工业相机的输入、输出接口有Camera Link、IEEE 1394、USB2.0、Ethernet、USB3.0几种；

3：知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择CCD 相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么?

首先要选择合适的镜头。选择镜头应该遵循以下原则：

1).与之相配的相机的芯片尺寸是多大；

2).相机的接口类型是哪种的，C 接口，CS 接口还是其它接口；

3).镜头的工作距离；

4).镜头视场角；

5).镜头光谱特性；

6).镜头畸变率；

7).镜头机械结构尺寸；

选择CCD 相机时，应该综合考虑以下几个方面：

1).感光芯片类型；CCD 还是CMOS

2).视频特点；包括点频、行频。

3).信号输出接口；

4).相机的工作模式：连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。

5).视频参数调整及控制方法：Manual、RS232.

同时，选择CCD 的时候应该注意，l inch = 16mm 而不是等于25.4mm.

4：CCD 相机与CMOS 相机的区别在哪里？

1、 成像过程

CCD 与CMOS 图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD 为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS 相对CCD 的固有劣势。

2、 集成性

从制造工艺的角度看，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 仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的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 芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D 转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS 成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3、 速度

CCD 采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS 有多个电荷-电压转换器和行列开关控制