相机选择 - 如何为图像处理系统找到合适的相机？
在选择合适的视觉系统时，各种细节繁多：琳琅满目的相机型号、技术和功能让人难以抉择。但是不用担心，我们非常乐意帮助您关注各项技术细节，为您的应用找到合适的相机。
图像处理系统的基础
我们将在白皮书中详细解答以下问题
为什么需求定义很重要？
关于相机的分辨率和成像芯片，我需要了解什么信息？选择彩色相机还是黑白相机？哪些相机功能很重要？
相机的比例和成像性能有多重要？成像质量发挥什么作用？
分步优化图像处理流程
我们可以从全面分析开始着手，不妨先思考两个问题：
需要用相机来拍摄什么？
相机需要具备哪些特性才能精确地提供相关特征？
这两个问题的答案能够为选择合适的相机确立方向。
面阵相机
面阵相机采用一颗由许多行像素组成的矩形芯片。由于所有像素同时曝光，相机会同时记录并处理所有图像数据。
面阵相机通常广泛适用于各种工业应用、医疗和生命科学、交通运输或安全和监控领域。
线阵相机
线阵相机采用的芯片仅由1、2或3行像素组成。它采用逐行曝光的图像数据采集方式，因此也需要逐行重新组合数据并将它们处理成图像。
线阵相机可用于检测在传送带上运输的产品和货物，这些应用场景有时需要高速运输物品。常见的行业包括印刷、分拣、包装、食品和所有类型的表面检测。
3D相机
另一方面，使用先进芯片技术的3D相机不只采集二维图像，还会同时采集深度信息，它通常使用Time-of-Flight (ToF)、立体视觉或结构光技术来实现。此类相机会测量物体的空间位置，并为采集的场景或物体创建精确的3D模型。
3D相机的应用领域包括机器人、自动化、物流（例如体积测量或物体识别）、医疗（例如手术引导），以及娱乐行业（例如动画和虚拟现实）。
相机选型第2步：黑白还是彩色相机？
该步骤的选择主要取决于应用目的：您需要什么样的图像。是否需要彩色图像来评估结果？黑白图像是否已经可以满足要求？如果色彩信息不是必须的话，那黑白相机通常更适合，因为它灵敏度更高，所呈现出的图像细节更加丰富。比如在智能交通系统中，应用经常会组合使用黑白相机与彩色相机，以符合特定国家/地区对于为保存证据图像的法律要求。
相机选型第3步：芯片类型、快门技术、帧速率
此步骤包括选择使用CMOS或CCD芯片技术构建的合适芯片，并选择快门技术类型：全局或滚动快门。然后要考虑的因素是帧速率，即相机每秒必须提供多少帧图像才能无缝处理任务。
选择CCD还是CMOS？
这两种芯片技术之间的根本区别在于结构。
CMOS芯片快速灵活，在相机大众市场（例如单反相机）占据主导地位。它将电子元件直接集成在芯片表面，可以超快速地读取图像数据。
CCD芯片具有卓越的光敏度和出色的成像质量 - 非常适合天文学等弱光条件应用。但是，它在物体快速移动的应用中容易达到性能极限。
详细了解应该选择CCD还是CMOS！
帧速率
“帧速率”、“每秒帧速率”(fps)和“行频”（适用于线阵应用）这三个术语可相互替换使用。帧速率表示的是芯片每秒可以采集和处理的图像数量。
帧速率越高，芯片工作的速度就越快。速度更快的芯片每秒时间支持处理更多帧的图像，进而增加数据量。
使用面阵相机时，数据量会因使用的接口和帧速率而大有差异，范围覆盖从较低的10 fps到高达340 fps不等。所需的帧速率具体取决于相应图像处理系统的要求。
相机选型第4步：分辨率、芯片和像素尺寸
选择合适的相机时，分辨率、芯片尺寸和像素质量均发挥核心作用，会直接影响成像质量、感光度以及相机在多大程度上能满足特定需求。
分辨率
相机的分辨率通常用“2048×1088”这样的格式来表示，代表的是像素数量。以这个分辨率为例，它表示2048个水平像素和1088个垂直像素相乘，得到的总分辨率为2,228,224个像素，约等于220万像素（以百万像素“MP”为单位）。
要找出应用所需的分辨率，可以使用以下这个简单实用的公式：
分辨率 = 物体大小 / 要检查的细节精度
例如，如果要为身高约2米的人采集眼睛颜色，并显示1 mm精度的细节，则计算方法为：
分辨率 = 高度/（眼睛细节的精度）= (2,000 mm)/(1 mm) = 2,000像素，即x和y均为2,000像素，两者相乘等于400万像素
在这种情况下，您需要一台至少具有400万像素的相机才能清晰显示想要的细节。
芯片和像素尺寸
要点1：
先看简单的部分：芯片和像素面积越大，吸收的光线就越多。对于芯片来说，光线就是需要被转换为图像数据的信号。到目前为止都还容易理解。然后难点就来了：芯片的表面积越大，信噪比(SNR)就越高，对于3.5 µm或更大尺寸的像素来说尤为如此。信噪比越高，成像质量就越好。信噪比达到42 dB就可被视为出色的结果。
要点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。
要点3：
没有合适的镜头，即使是像素数高的大型芯片也无法发挥效用（在此处了解如何选择合适的镜头），只有搭配使用的镜头能够解析这种高规格的分辨率时才能充分发挥芯片潜力。
要点4：
大型芯片的成本也较昂贵，因为较大的空间所需使用的硅就更多。
相机选型第5步：接口和外壳尺寸
在将相机集成到视觉系统中时，选择合适的接口和机身尺寸发挥着关键作用。这两个因素不仅影响技术性能，还影响整体视觉方案的灵活度和兼容性。下面，您将了解不同的接口技术和封装尺寸能够如何出色地为应用提供支持。
接口
接口是相机和PC之间的纽带，它负责将图像数据从硬件（相机芯片）传输到软件（图像处理组件）。要想为应用选择出色接口，这就要先权衡一系列因素的利弊，尽量在性能、成本和可靠性等方面之间找到出色的平衡点。
GigE Vision、USB3 Vision和CoaXPress等现代标准可确保兼容符合标准的组件，而FireWire和USB 2.0等旧技术则不太适合用于现代系统。
查看接口比较信息
相机选型第6步：实用的相机功能
相机通常在工厂时已准备就绪，可竭力帮助用户完成各种任务。我们所有的相机在出厂时都配备了一组实用功能，可提高成像质量，更有效地分析图像数据，并以最高精度来控制工作流程。
在设计图像处理系统时，您可能会看到以下三个常见功能：
感兴趣区域(AOI)
它支持在图像框中选择特定的单个感兴趣区域(AOI)，也可以一次选择多个不同的AOI。这样做的好处是系统只处理和评估所需的图像部分，从而加快相机数据的读出速度。
自动功能
Basler相机提供一系列自动功能，例如自动曝光调整和自动增益。通过支持曝光时间和增益参数，让相机自动适应不断变化的环境条件，这两个自动功能可以让图像亮度保持不变。
序列发生器
序列发生器可用于读出特定的图像序列。例如，它可以对各种AOI进行编程，然后由序列发生器按顺序自动读取。
如何更好地比较现代CMOS相机？
几乎每种芯片型号都有不同制造商用来生产各式各样的相机。尽管这些相机搭载相同的芯片，但却性能各异。在比较相机时应该重点考虑哪些方面？
需要参照EMVA数据
为应用选择合适的相机也是欧洲机器视觉协会(EMVA)关心的一项关键问题，EMVA 1288标准因而应运而生。它定义了应该采用什么方法收集数据来表示相机或芯片的成像质量和灵敏度。
在选择相机时，参照EMVA数据是必须的步骤，因为它提供了有关相机的功能和适用性的相关信息。
但是，EMVA数据并未涵盖所有潜在问题，例如图像中的“快门阴影线”或像素缺陷或坏点等时变干扰。这些错误通常可以立即通过目视检查发现，但EMVA数据并未将它们纳入考量。
因此，对样机进行全面的应用实装测试至关重要。EMVA数据这个可靠的标准可发挥切实的优势，通常只有大型品牌制造商才能提供相关数据，有助用户节省测试时间并简化应用的优化工作。
优点：固件功能和高稳定性的数据传输
由于相机的固件和软件各不相同，即便使用相同的芯片，相机的表现仍会有较大差异。这里的关键在于既要符合GenICam等标准（"针对相机"），也要兼容GigE Vision和USB3 Vision接口标准。这些标准管理和定义了相机的通信通道和接口，有助于降低集成难度，并提供可靠的数据传输质量。
此外，相机在固件和相关软件的效率方面也存在不少差异。首先，这涉及相机的集成难度：并非所有相机制造商都能够为相机控制提供成熟的软件和驱动环境，或打造能兼容不同操作系统和编程语言的编程环境。然而，这些往往是任何大型系统设计都必须满足的必要条件。
另一个差异体现在相机的数据稳定性方面。例如，如果为帧缓冲器妥善设置了相机固件，就可以大大提升数据稳定性，在高带宽/高帧速率的情况下表现更佳。
尽管有些视觉系统采用相同的芯片也能显著提升效果，但很大程度上提升视觉系统性能还是要依靠标准化或专有的功能。
应该从何入手？接下来要怎样做？
选择合适的相机对于机器视觉系统的性能表现至关重要。我们的工具可以帮助您为视觉系统或应用找到合适的组件。欢迎探索我们的产品线，找到充分适用您需求的相机。