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关于相机的选型 – 如何为您的图像处理系统寻找合适的相机?

“相机选型”——如同在茂密森林中迷失一般无法决择?

当您在设计图像处理系统面临挑战时,您可能会发现有众多需要考虑的问题或诸多选择,比如一系列令人眼花缭乱的相机型号;各种性能指标、相关的功能,以及可能用到的种种应用将您团团困住。。。

其实,您现在需要的是一位向导。他即可以帮您删繁就简,亦能助您为视觉应用选择正确相机,最终找到所需要的型号。

让我们逐步列出相关条件或环节,从而使您做出正确决择,为您的系统需求找到合适且理想的设备。

首先,我们先进行一次清晰的自我评估。仅问自己两个问题:

  • 我需要用相机来拍摄什么物体或内容?
  • 我的相机必须具备哪些特性才能够精确呈现这些内容?

通过这两个问题的答案通常就可以得到一个清晰的初步指导意见,将有引以下两个方向之一:

网络(IP)相机
网络(IP)相机
工业(MV)相机
工业(MV)相机

相机选型第1步: 网络相机还是工业相机?

用于图像处理系统的相机可分为工业/机器视觉(MV)或网络/IP(网络协议)相机两类。

网络相机录制视频。网络相机广泛使用于典型监控应用之中,同时也可与工业相机结合使用。以下是这种相机的一些典型特性:

  • 通常会有坚固的外壳保护,外壳具有抗震功能,能适应任何天气变化,这使相机适用于室内和室外环境。
  • 各种不同功能(例如昼/夜模式)以及特殊的红外滤光片使相机能够提供卓越的成像质量,即使环境光源或天气情况极差的情况下亦可使用。
  • 可压缩所记录的图像,这样可以减少数据量,也能使所有数据均可存储在相机内。通过连接到网络,理论上可让无限数量的用户访问该相机。

相比之下,工业相机的特点是

  • 会以未经压缩原始数据形式将图像直接传输至PC;然后PC负责处理相对大量的数据。该方法的优点是不会丢失任何图像信息。
  • 工业相机包含两种技术:面阵相机线阵相机。它们拍摄图像的方式不同,具体与视觉应用的类型相关。

Q&A1: 面阵相机和线阵相机是怎样拍摄图像的?

面阵

  • 面阵相机装配了长方形芯片,配有多个可同时被曝光的像素行。因此,图像数据可在单一步骤中被捕捉和记录并同步处理。
  • 面阵相机通常在各种不同工业应用领域、医疗和生命科学领域、交通运输领域或安全与监视领域中使用,通常作为对网络相机的补充。

线阵

  • 相比之下,线阵相机则使用一款备有1、2或3行像素的芯片。图像数据将按行拍摄,而独立的像素行将在处理阶段中重新组成完整的图像。到底应该选择面阵相机,还是线阵相机,取决于您的应用以及应用的要求。
  • 在检测传送带上以极快速度传送的产品时会广泛用到线阵相机。典型的工业应用包括印刷、分拣和包装、食品饮料以及各种表面检验。
面阵
线阵

网络相机

  • 网络相机可用于各种监视任务,包括航运企业与包装系统中的流程控制,以及建筑物与交通的监视系统。它们通常用于:银行、赌场、公司园区和公共建筑,以及港口和货运中心等物流和运输中心。
网络相机

相机选型环节第2步: 黑白相机还是彩色相机?

该环节主要取决于您的应用目的:您需要什么样的图像。为了评估结果,您需要彩色图像吗?还是黑白图像即可满足要求? 若不,那黑白相机通常更适合,因为它们更灵敏,所呈现出的图像细节更加丰富。比如智能交通系统方面的应用,经常会将黑白相机与彩色相机相结合使用以符合特定国家/地区对于为保存证据图像的法律要求。

相机选型环节第2步: 黑白相机还是彩色相机?

相机选型环节第3步: 芯片类型、快门技术、帧速率

相机选型环节第3步: 芯片类型、快门技术、帧速率

这一步需要挑选适合的芯片(即采用CMOSCCD芯片技术)以及选择快门技术的类型(即全局快门或滚动快门)。之后要考虑问题则的是帧速率,这个指标是相机为了能够顺畅处理任务每秒必须提供的图像数量。

1、芯片类型

Q&A2: CCD还是CMOS?

两种不同的芯片技术基本差别在于其技术结构。

CMOS芯片中,将光能(具体而言是指光子)转化成电信号(电子)的电子元件直接集成在芯片表面。因此电子元件能够更快速地读取成像数据,用户能够更灵活地调整成像范围,使CMOS芯片能够更快速地拍摄图像。CMOS芯片在消费者市场上被广泛使用,例如单反相机。

CCD芯片使用完整的芯片表面拍摄光线,芯片表面上没有安装任何转化电子元件。这使表面拥有较多的像素空间,亦代表着能够拍摄的光线将更多。因此这类芯片对于光线特别灵敏,特别适用于弱光条件的应用(例如天文学)。CCD芯片能够在速度较慢的应用中提供卓越图像质量,虽然该芯片的结构以及其传输与处理图像数据的方式已逐渐将成像速度提高至极限。

CMOS芯片技术在近年来不断改进,如今已适用于几乎任何一种图像处理应用。CMOS芯片具备

  • 出众的性价比
  • 高成像速度
  • 高分辨率
  • 低功耗
  • 高量子效率

这些特性让CMOS芯片在CCD芯片以往独占鳌头的领域中取得了立足之地。高成像速度与出众的图像质量的结合是当代CMOS芯片的突出卖点之一。

CMOS面阵芯片和CCD芯片
CMOS面阵芯片和CCD芯片

快门技术

快门技术

有一项简单但非常重要的要求:快门必须与应用匹配。快门能够保护相机内部的芯片不受入射光线的影响,且只有在曝光时才会打开。所选的曝光时间将会确保像素接收适当数量的光子,并决定快门维持打开状态的时间。全局快门和滚动快门的差别在于吸收光线的方式。

Q&A3: 全局快门和滚动快门的工作方式

全局快门

全局快门会打开并让光线一次性地接触整个芯片表面。依帧速率而定,移动中的目标会快速地被连续拍摄到。全局快门是需要拍摄快速移动目标的应用的首选,例如交通与运输领域,物流领域以及印刷材料的检测。

滚动快门

滚动快门则是逐行来曝光图像。根据所选的曝光时间不同,当目标在曝光过程中移动时,可能会发生失真,这也就是所谓的滚动快门效应。但是,并非涉及移动目标的应用就完全无法使用滚动快门。在多数情况下,该效应可通过正确配置曝光时间以及使用外置闪光灯来规避。

对于滚动快门,曝光时间不会同时开始和结束,而是按行分别进行: 图解显示了相片上各行的逐行曝光。
请阅读我们的白皮书
对于滚动快门,曝光时间不会同时开始和结束,而是按行分别进行: 图解显示了相片上各行的逐行曝光。

帧速率

与“每秒多少帧图像”或“fps”含义相同;而对于线阵相机,则与“行频”或“行频率”含义相同。帧速率描述芯片可在每秒钟拍摄与传输的图像数量。

帧速率越高,芯片速度越快。=> 芯片越快,它每秒拍摄到的图像就越多。=> 图像越多,数据量就越大。

对于快速移动的应用(例如印刷版图形的检测),报纸将会快速与相机检测点擦身而过,而相机必须能够在毫秒内进行“拍摄”。
对于快速移动的应用(例如印刷版图形的检测),报纸将会快速与相机检测点擦身而过,而相机必须能够在毫秒内进行“拍摄”。
通常只需低帧速率的医药与工业领域的显微镜检测相差甚远。
通常只需低帧速率的医药与工业领域的显微镜检测相差甚远。
对于面阵相机,图像数量与数据量在很大程度上是依使用的接口而定。同时,这也取决于所使用的帧速率是低速的10 fps还是高(快)速的340 fps。图像处理系统内的相机所需拍摄的目标决定能够使用或所需使用的帧速率。 对于面阵相机,图像数量与数据量在很大程度上是依使用的接口而定。同时,这也取决于所使用的帧速率是低速的10 fps还是高(快)速的340 fps。图像处理系统内的相机所需拍摄的目标决定能够使用或所需使用的帧速率。

相机选型环节第4步: 分辨率、芯片与像素尺寸

 查阅您相机的规格

分辨率

查阅您相机的规格,您会看到“2048x1088”。这个数字确切指什么? 它

指的是每行的像素数量,而在以上例子中亦指每条水平行拥有2048个像素,每条垂直行则拥有1088个像素。将两个数字相乘就会得到分辨率,即2,228,224或220万像素(百万像素或简称“MP”)。

要确定您的应用需要多少分辨率,可进行几项简单计算:

Q&A4: 如何确定所需要的分辨率

举例来说,您想要拍摄某人眼睛的精确彩色图像,该人士身高2m且站立在一个特定的位置上

= > 要清晰识别1 mm大的细节,您需要4百万像素的分辨率。

Q&A4: 如何确定所需要的分辨率

芯片与像素尺寸

实例1:
先看简单的部分:大芯片和大像素表面可以拍摄到更多的光线。芯片使用光线作为信号,生成与处理图像数据。到目前为止,就这么简单。现在我们继续: 可使用的表面积越大,信噪比(SNR)就越高,尤其是那些尺寸为3.5µm或更大的大型像素。信噪比SNR越高,成像质量越好。42 dB的信噪比SNR会被视为可靠效果。

实例2: 大尺寸芯片提供较大的空间,可容纳较多的像素,因而提供较高的分辨率。其实大型芯片的真正优势在于单个像素的尺寸仍足以确保取得较好的信噪比SNR,而较小的芯片所能够使用的空间不多,因此需要使用尺寸较小的像素。

实例3:
但是如果大型芯片以及大量的大型像素未搭配合适的光学配件,则无法达到理想效果。只有与可以解析这一高分辨率的合适镜头结合使用,它们才能发挥全部潜力。

实例4:
大型芯片的成本总是更为昂贵,因为更大空间需要使用更多的硅。

相机选型环节第5步: 接口与外壳尺寸

接口

接口

接口是相机与PC之间的连接点,将来自相机芯片的图像数据从硬件(相机芯片)传输到软件(处理图像的组件)。找到适用于您的应用的理想接口意味着:通过对一系列不同因素进行权衡,找出性能、成本和可靠性的理想平衡。

依据您的应用要求,您可选择使用Camera Link、GigE或是USB 3.0,从中寻找最佳的特性组合,以便快速、简洁及安全地将图像数据从相机传输至PC。
依据您的应用要求,您可选择使用Camera Link、GigE或是USB 3.0,从中寻找最佳的特性组合,以便快速、简洁及安全地将图像数据从相机传输至PC。

Q&A5: 接口技术和标准

GigE Vision、USB 3.0 Vision和Camera Link

GigE VisionUSB 3.0 VisionCamera Link是目前普遍采用的技术标准,可保证相机接口与符合标准的组件和附件兼容。每项技术都旨在满足带宽、多相机体系、线材长度等方面的一系列具体要求。

1394 (FireWire)USB 2.0是比较旧的技术,这些技术因其自身限制,不再无保留地推荐用于目前的图像处理系统。

接口比较
接口比较

不确定哪种接口技术最符合您的需求?

请查看我们的数据接口选择助手以帮助您做出决定

需要详细了解各个接口的优缺点吗?

请下载我们的白皮书《工业机器视觉中最常见数字接口技术的对比》

外壳

与接口选择直接关联的是相机外壳的尺寸。它对于视觉系统的总体集成来说很重要。在某些应用中,多台相机会并排安装(称为多相机体系)以便能够更好地拍摄下材料卷带的整个宽度,每一毫米空间都非常重要。

尺寸很重要,尤其是在多相机体系中。
尺寸很重要,尤其是在多相机体系中。
Basler提供的产品线包括了29 mm x 29 mm的Basler ace系列相机至尺寸较大且配有极大(线阵)芯片的相机(例如Basler sprint系列相机)等众多型号。
Basler提供的产品线包括了29 mm x 29 mm的Basler ace系列相机至尺寸较大且配有极大(线阵)芯片的相机(例如Basler sprint系列相机)等众多型号。

相机选型环节第6步: 实用的相机功能

所有Basler相机均配有一组辅助功能以改善图像质量、更有效地评估图像数据以及更精确地控制流程。请查看我们的功能查看表,以获取每种相机型号所有功能的总表。

您在设计图像处理系统时,最有可能涉及这三种功能:

AOI(感兴趣区域)

让您能够在帧内选取特定的具体感兴趣区域,或同时选取多个不同感兴趣区域。优势在于这样仅需处理与图像评估相关的帧部分,从而加快相机数据读取速度。

自动功能

Basler相机具备一系列所谓自动功能,例如,自动曝光调整和自动增益。这两项自动功能可让曝光时间和增益参数自动根据周围环境变化进行调整,从而保持图像亮度持续稳定。

定序功能

定序功能可用于读出特定图像的序列。这表示可以对各种AOI进行编程,然后由定序功能自动按序列读出。

您的相机选型是否已经十分清晰?

就在眼前! 通过在大量标准和组件中删繁就简,按照一系列必要决策进行探寻之后,现在您只需应对最终挑战(选出正确的相机)了!

您的相机选型是否已经十分清晰?

Basler 相机选型助手

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无需担心! 让Basler相机选型助手来帮您根据具体需求精确挑选需要的相机:理想的面阵相机、线阵相机或网络相机。

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