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机器视觉相机类型及区别
Date：2013-05-29
Source：九游会J9
一、按照相机芯片分类，可分类为CMOS相机和CCD相机
二、按照扫描方式分类，可分类为隔行扫描相机和逐行扫描相机
三、按照输出信号方式分类，可分为模拟相机和数字相机
四、按照传感器的结构特性分类，可分为面阵相机和线阵相机
下面介绍各类相机的特性：
1．CCD（电荷耦合器件）
目前常用CCD的有三种结构, 全帧转移、帧传输和行转移。
行转移（Interline Transfer）
在三种结构中，行转移是最常使用的一种，多数中、低端产品都使用这种方式。
全帧转移（Full frame ）
全帧转移结构最简单，感光区和存储区在一起，可获得100％的fill factor。缺点是为避免图像漏光，在读出时要阻止外界光线进入。这可以通过使用机械快门、使用频闪灯的方法实现，或者使曝光时间远远大于读出时间，以尽量减少漏光。
帧传输（Frame transfer）
帧传输结构是感光区和存储区完全分开，且大小相等。曝光后的信号电荷以非常快的速度（通常小于帧周期的1％）转移到存储区，然后逐行输出。很明显，帧传输传感器可获得100％的fill factor，而且在读出过程中，可对下一帧曝光。缺点是芯片尺寸大，成本高。
2．CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器
CMOS传感器和CCD传感器在感光部分原理是相同的，不同的是在每个像素单元中，除感光部分外，还有放大器和读出电路部分，整个CMOS传感器还集成了寻址电路、放大器和A/D。
3．CCD和CMOS的主要性能比较
满阱容量差异：由于CMOS传感器的每个像素包括一个感光二极管、放大器和读出电路，同时整个传感器还包括寻址电路和A/D,使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的满阱能力要低于CCD传感器。
成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、时序、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。
4.工业逐行扫描相机和隔行扫描相机的区别
隔 行、逐行只是数据处理方式的不同。是先提取奇数行的数据形成图像轮廓，再用偶数行数据补充，因那时的技术限制，数据处理速度跟不上，就采取隔行方式，用于 连续图像。尽管从技术层面来讲逐行扫描CCD是好一些，但从日本的相关资料了解到，由于同样大小CCD像素的不断增加， CCD中传送信号的通路无法适应逐行扫描得到的一次性的大量的数据，会造成图象处理速度的下降。因此在高像素的数码相机中隔行扫描的技术的应用越来越多。
5.工业模拟相机和数字相机的区别
模 拟输出相机与数字输出相机之间的区别在于：模拟相机的视频输出是用模拟电信号传输视频信号，这种相机通常用于闭路电视，或者与数字化视频波形的采集卡相 连;数字相机其内部有一个A/D转换器，数据以数字形式传输，能够直接显示在电脑或电视屏幕上，因而数字输出相机可以避免传输过程的图像衰减或噪声.
6.工业面阵相机和线阵相机的区别
线阵相机：
线阵CCD工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中，线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比，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。线阵工业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,利用一台或多台工业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。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率,它可以准确测量到微米。
线阵工业相机，机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图象，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。
需要极大的视野或极高的精度的情况下，需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型 工业相机，必须用可以支持线阵型工业相机的采集卡。线阵型工业相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢－－一般工业相机的图象是 400K～1M，而合并后的图象有几个M这么大，速度自然就慢了。
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。百万像素工业相机的像素矩阵为W*H=1000*1000。
工业相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，um*um表示。数值越小，分辨率越高
FOV是指相机实际拍摄的面积,以毫米×毫米表示。FOV是由像素多少和分辨率决定的。相同的相机，分辨率越大，它的FOV就越小。例如 1K*1K的相机，分辨率为20um,则他的FOV=1K*20×1k*20=20mm×20mm，如果用30um的分辨率，他 FOV=1K*30×1k*30=30mm×30mm。
在图像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，而是由分辨率决定的。分辨率是由选择的 镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。如果采用20um分辨率，对于1mm*0.5mm的零件，它总共占用像素 1/0.02×0.5/0.02＝50×25个像素，如果采用30um的分辨率，表示同一个元件，则有1/0.03×0.5/0.03=33×17个像 素，显然20um的分辨率表现图像细节方面好过30um的分辨率。
既然像素的多少不决定图像的分辨率（清晰度），那么大像素工业相机有何好处呢？答案只有一个：减少拍摄次数，提高测试速度。
二、按照扫描方式分类，可分类为隔行扫描相机和逐行扫描相机
三、按照输出信号方式分类，可分为模拟相机和数字相机
四、按照传感器的结构特性分类，可分为面阵相机和线阵相机
下面介绍各类相机的特性：
1．CCD（电荷耦合器件）
目前常用CCD的有三种结构, 全帧转移、帧传输和行转移。
行转移（Interline Transfer）
在三种结构中，行转移是最常使用的一种，多数中、低端产品都使用这种方式。
全帧转移（Full frame ）
全帧转移结构最简单，感光区和存储区在一起，可获得100％的fill factor。缺点是为避免图像漏光，在读出时要阻止外界光线进入。这可以通过使用机械快门、使用频闪灯的方法实现，或者使曝光时间远远大于读出时间，以尽量减少漏光。
帧传输（Frame transfer）
帧传输结构是感光区和存储区完全分开，且大小相等。曝光后的信号电荷以非常快的速度（通常小于帧周期的1％）转移到存储区，然后逐行输出。很明显，帧传输传感器可获得100％的fill factor，而且在读出过程中，可对下一帧曝光。缺点是芯片尺寸大，成本高。
2．CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器
CMOS传感器和CCD传感器在感光部分原理是相同的，不同的是在每个像素单元中，除感光部分外，还有放大器和读出电路部分，整个CMOS传感器还集成了寻址电路、放大器和A/D。
3．CCD和CMOS的主要性能比较
满阱容量差异：由于CMOS传感器的每个像素包括一个感光二极管、放大器和读出电路，同时整个传感器还包括寻址电路和A/D,使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的满阱能力要低于CCD传感器。
成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、时序、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。
4.工业逐行扫描相机和隔行扫描相机的区别
隔 行、逐行只是数据处理方式的不同。是先提取奇数行的数据形成图像轮廓，再用偶数行数据补充，因那时的技术限制，数据处理速度跟不上，就采取隔行方式，用于 连续图像。尽管从技术层面来讲逐行扫描CCD是好一些，但从日本的相关资料了解到，由于同样大小CCD像素的不断增加， CCD中传送信号的通路无法适应逐行扫描得到的一次性的大量的数据，会造成图象处理速度的下降。因此在高像素的数码相机中隔行扫描的技术的应用越来越多。
5.工业模拟相机和数字相机的区别
模 拟输出相机与数字输出相机之间的区别在于：模拟相机的视频输出是用模拟电信号传输视频信号，这种相机通常用于闭路电视，或者与数字化视频波形的采集卡相 连;数字相机其内部有一个A/D转换器，数据以数字形式传输，能够直接显示在电脑或电视屏幕上，因而数字输出相机可以避免传输过程的图像衰减或噪声.
6.工业面阵相机和线阵相机的区别
线阵相机：
线阵CCD工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中，线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比，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。线阵工业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,利用一台或多台工业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。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率,它可以准确测量到微米。
线阵工业相机，机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图象，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。
需要极大的视野或极高的精度的情况下，需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型 工业相机，必须用可以支持线阵型工业相机的采集卡。线阵型工业相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢－－一般工业相机的图象是 400K～1M，而合并后的图象有几个M这么大，速度自然就慢了。
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。百万像素工业相机的像素矩阵为W*H=1000*1000。
工业相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，um*um表示。数值越小，分辨率越高
FOV是指相机实际拍摄的面积,以毫米×毫米表示。FOV是由像素多少和分辨率决定的。相同的相机，分辨率越大，它的FOV就越小。例如 1K*1K的相机，分辨率为20um,则他的FOV=1K*20×1k*20=20mm×20mm，如果用30um的分辨率，他 FOV=1K*30×1k*30=30mm×30mm。
在图像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，而是由分辨率决定的。分辨率是由选择的 镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。如果采用20um分辨率，对于1mm*0.5mm的零件，它总共占用像素 1/0.02×0.5/0.02＝50×25个像素，如果采用30um的分辨率，表示同一个元件，则有1/0.03×0.5/0.03=33×17个像 素，显然20um的分辨率表现图像细节方面好过30um的分辨率。
既然像素的多少不决定图像的分辨率（清晰度），那么大像素工业相机有何好处呢？答案只有一个：减少拍摄次数，提高测试速度。
