工业相机是机器视觉系统的重要组成部分，其最本质的功能是将光信号转换为有序的电信号。 选择合适的摄像机是机器视觉系统设计的重要环节，摄像机的选择不仅直接决定被拍摄图像的分辨率、画质等，而且直接关系到整个系统的工作模式。

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一.相机芯片类型：

一般来说，工业相机根据芯片类型分为CCD相机和CMOS相机，当然也有富士公司生产的Super CCD芯片等其他芯片。 这里只讨论市场上主流的CCD摄像机和CMOS摄像机的工作原理。 数码相机的CCD和CMOS深藏在相机内部，即使有机会看到其情况也很难区分。

CCD芯片相机：

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如果在受光像点接收到光，则受光元件产生对应的电流，由于电流的大小与光的强度对应，所以从受光元件直接输出的电信号是模拟的。 在CCD传感器中，不是对每个受光元件进行进一步的处理，而是直接输出到垂直寄存器，然后传输到水平寄存器，最终形成统一的输出。 光接收元件生成的电信号非常微弱，再加上在这个过程中产生大量的电压损耗，不能直接进行模数转换工作，所以这些输出数据必须进行统一的放大处理。 该工作由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理后，各像点的电信号强度以相同幅度增大。 因为用一个放大器放大信号，所以噪声的产生很少。 但是，因为CCD本身不能将模拟信号直接转换为数字信号，所以必须使用专用的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出到专用的DSP处理芯片。

CMOS芯片相机：

对于CMOS传感器，上述工作流程完全不适用。 CMOS传感器的各个光接收元件中内置有直接放大器和模拟数字转换逻辑，光接收二极管接收光并生成模拟电信号后，电信号首先由该光接收元件的放大器放大，然后被转换为直接对应的数字信号。 即，在CMOS传感器中，能够由各受光元件得到最终数字输出，将得到的数字信号合成并直接送到DSP芯片进行处理，但这里发生问题的是，由于CMOS受光元件的放大器是模拟器件，所以各像点的倍率放大后图像数据并不表示被摄体的本来的样子，而是出现在最终的输出结果中，在图像中产生大量的噪声，质量明显低于CCD

二.黑白相机成像原理：

以CCD原理为例，CCD原理并不复杂。 我们可以把它想象成顶部打开的存储器芯片。 因此，光束可以入射到存储单元。 由于“光电效应”，这些光束在存储单元中产生负电荷。

曝光后，读出这些电荷，进而用照相机处理单元进行预处理。 从相机处理单元输出的是数字图像。

三.彩色成像原理：

CCD芯片将光子转换为电子。 在这个过程中，光子的数量和电子的数量相互成比例。 但是，光子还有另一个特征值——波长(由波长决定颜色)，这个信息在这个过程中不会转换为电子。 因此，在这个意义上，CCD芯片都可以称为色盲。 因此，彩色相机的图像有点复杂，目前主要有三棱镜方式和滤镜方式两种方式。 以下分别介绍。

棱镜方式：

为了得到光的颜色信息，可以很容易地用棱镜将光束分为单色光，并使其分别成像。 没错，棱镜方式是这个原理。 下图：

将从镜头入射的光分为3束光，每束光通过不同的内置光栅过滤3原色，由3张CCD分别接收。 这些图像将高分辨率、准确颜色的图像重新合成。 300万像素的照相机用300万像素的CCD片感光。 也就是说，因为可以进行同一点合成，所以拍摄的照片清晰度相当高。 这种方法的主要困难是其中包含的数据太多。 在拍下一张照片之前，必须清除相机缓冲区中存储的数据并保存到磁盘上。 因此，这种照相机对其他部件的要求非常高，其价格当然也非常高。

过滤方式：

当然，为了获取光的颜色信息，很容易用滤波器来实现。 原理图如下。

在该图中，每个受光元件对应于图像传感器中的一个像点。 受光元件只能感知光的强度，无法捕捉颜色信息，所以必须在受光元件上戴上滤色器。 在这方面，不同的传感器制造商有不同的解决方案。 最常见的方法是覆盖RGB红绿蓝三色滤镜，以1:2:1的配置在四个像点组成一个彩色像素。 也就是说，红蓝滤镜分别复盖一个像点，其余两个像点都复盖绿色滤镜。 之所以取这个比率是因为人眼对绿色很敏感。 索尼的四色CCD技术将其中的一个绿色滤镜称为翡翠绿(英文Emerald，有些媒体称为e通道)，从而构成新的r、g、b、e四色方案。 在任何一种方式中，四个像点都必须能够构成一个彩色像素。

从上图可以看出，通过摄像机处理单元后，上图右上角的空白值增加了255。 这里涉及颜色插值。 有关详细信息，请参阅：

颜色插值：

首先，使用摄像和测量所使用的单CCD相机(测量)一节中介绍的数字原始图像。 为简便起见，下图显示了该数字原始图像、其原始图像和拜耳滤镜。

这里介绍两种简单的插值方法。

复制邻近像素法：

填充缺少颜色值的最简单方法是从相邻像素获取颜色值。 将第二行的第一个绿色像素(从拜耳滤镜)

例（如下图中被加粗黑框之像素所示）。

在源图像中该点实际是红色，但经拜尔滤光片绿色像素过滤后色彩值变为零。我们只需要把临近红蓝像素中的红色与蓝色值（见上图）复制到该像素中，就能获得其RGB值（255，0，0）。就上图所示例子而言，插值法产生了正确的RGB值。但在实际应用当中，对于静止图像，这种简单的插值法所生成的结果是不可接受的。但由于它并不耗费多少时间，我们可以将其用于对质量标准要求不高的视频数据流中（例如视频预览）。
临近像素均值法（双线性插值）：

我们可以对“复制插值法”作出的第一个改进就是使用若干临近像素的均值。如图所示，这种方法同样可以得到正确的RGB值（255，0，0）。但第二个例子指出了均值法的一个重大缺陷：均值法有低通特性，并由此将清晰的边界钝化。RGB值本应是（255，0，0），但实际上变成了（255，128，64），因此该点变成了棕橙色。
今天相机中所使用的插值法的性能要大大高于前面介绍的这两种基本方法。A Study of Spatial Color Interpolation Algorithms for Single-Detector Digital Cameras一文 对这些算法做了很好的介绍和比较。
四. 相机接口类型：
GIGE千兆网接口：
千兆网协议稳定，该接口的工业相机是近几年市场应用的重点。使用方便，连接到千兆网卡上，即能正常工作。
在千兆网卡的属性中，也有与1394中的Packet Size类似的巨帧。设置好此参数，可以达到更理想的效果。
传输距离远，可传输100米。可多台同时使用，CPU占用率小。
USB2.0接口：
所有电脑都配置有USB2.0接口，方便连接，不需要采集卡。
USB2.0接口的相机，是最早应用的数字接口之一，开发周期短，成本低廉，是目前最为普通的类型，缺点是其传输速率较慢，理论速度只有480Mb（60MB）。
在传输过程中CPU参与管理，占用及消耗资源较大。USB2.0接口不稳定，相机通常没有坚固螺丝，因此在经常运动的设备上，可能会有松动的危险。传输距离近，信号容易衰减。
USB3.0接口：
USB 3.0的设计在USB 2.0的基础上新增了两组数据总线，为了保证向下兼容，USB 3.0保留了USB 2.0的一组传输总线。
在传输协议方面，USB 3.0除了支持传统的BOT协议，新增了USB Attached SCSI Protocol (USAP)，可以完全发挥出5Gbps的高速带宽优势。
由于总线标准是近几年才发布，所以协议的稳定性同样让人担心。传输距离问题，依然没有得到解决。
Camera Link接口：
需要单独的Camera Link接口，不便携，导致成本过高。传输速度是目前的工业相机中最快的一种总线类型。
一般用于高分辨率高速面阵相机，或者是线阵相机上。
传输距离近，可传输距离为10米。
1394（火线）：
1394接口，在工业领域中，应用还是非常广泛的。协议、编码方式都非常不错，传输速度也比较稳定，只不过由于早期苹果的垄断，造成其没有被广泛应用。
1394接口，特别是1394B口，都有坚固的螺丝。1394接口不太方便的地方是其未能普及，因此电脑上通常不包含其接口，因此需要额外的采集卡，传输距离仅为4.5米。
占用CPU资源少，可多台同时使用，但由于接口的普及率不高，已慢慢被市场淘汰。
五. 线阵和面阵相机：
面阵：
上面我们所说的相机均属于面阵相机，相机像素是指这个相机总共有多少个感光晶片，通常用万个为单位表示，以矩阵排列，例如3百万像素、2百万像素、百万像素、40万像素。百万像素相机的像素矩阵为WH=10001000。相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，用um*um表示。数值越小，分辨率越高。
线阵：
线阵相机是一类特殊的视觉机器。与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线阵相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率 。
六. 相机常见参数介绍：

分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于工业数字模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768576，NTSC制为640480。像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于工业数字数字相机一般还会有10Bit、12Bit等。最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz）。曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。