工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)中的核心部件，對于機器視覺系統(tǒng)的重要性是不言而喻的。按照分類的不同，相機又分為很多種：
1、彩色相機、黑白相機：
黑白相機直接將光強信號轉換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機能獲得景物中紅、綠、藍三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機能夠提供比黑白相機更多的圖像信息。彩色相機的實現(xiàn)方法主要有兩種，棱鏡分光法和Bayer濾波法。棱鏡分光彩色相機，利用光學透鏡將入射光線的R、G、B分量分離，在三片傳感器上分別將三種顏色的光信號轉換成電信號，最后對輸出的數(shù)字信號進行合成，得到彩色圖像。
2、CCD相機、CMOS相機
芯片主要差異在于將光轉換為電信號的方式。對于CCD傳感器，光照射到像元上，像元產(chǎn)生電荷，電荷通過少量的輸出電極傳輸并轉化為電流、緩沖、信號輸出。對于CMOS傳感器，每個像元自己完成電荷到電壓的轉換，同時產(chǎn)生數(shù)字信號。
3、按靶面類型分類：面陣相機、線陣相機
相機不僅可以根據(jù)傳感器技術進行區(qū)分，還可以根據(jù)傳感器架構進行區(qū)分。有兩種主要的傳感器架構：面掃描和線掃描。面掃描相機通常用于輸出直接在監(jiān)視器上顯示的場合。線掃描相機用于連續(xù)運動物體成像或需要連續(xù)的高分辨率成像的場合。線掃描相機的一個自然的應用是靜止畫面（Web Inspection）中要對連續(xù)產(chǎn)品進行成像，比如紡織、紙張、玻璃、鋼板等。同時，線掃描相機同樣適用于電子行業(yè)的非靜止畫面檢測。像德國Kappa相機根據(jù)它CCD的規(guī)格也會有線陣、面陣之分。
4、按輸出模式分類：模擬相機、數(shù)字相機
根據(jù)相機數(shù)據(jù)輸出模式的不同分為模擬相機和數(shù)字相機，模擬相機輸出模擬信號，數(shù)字相機輸出數(shù)字信號。模擬相機和數(shù)字相機還可以進一步細分，比如德國Kappa相機按數(shù)據(jù)接口又包括：USB 2.0接口、EE 1394 a / Fire Wire、Camera Link 接口、千兆以太網(wǎng)接口。模擬相機分為逐行掃描和隔行掃描兩種，隔行掃描相機又包含EIA、NTSC、CCIR、PAL等標準制式。有關接口技術的詳細介紹請參考采集卡及采集技術部分。
在選擇一款工業(yè)數(shù)字相機時，物體成像的速度必須充分考慮好。例如，假設在拍攝過程中，物體在曝光中沒有移動，可用相對簡單和便宜的工業(yè)相機；對于靜止或緩慢移動的物體，面陣工業(yè)相機最適合于對靜止或移動緩慢的物體成像。因為整個面陣區(qū)域必須一次曝光，在曝光時間當中任何的移動會導致圖像的模糊，但是，運動模糊可以通過減少曝光時間或使用閃光燈來控制；對于快速移動的物體，當對運動的物體使用一個面陣工業(yè)相機時，需要考慮在曝光時間當中處于工業(yè)相機當中的運動對象數(shù)量，還需要考慮物體上能用一個像素表征的最小特征，也就是對象分辨率，在采集運動物體的圖像的拇指規(guī)則就是曝光必須發(fā)生在采集物體移動量小于一個像素的時間內。如果你采集的物體是在以1厘米/秒的速度勻速移動，而且物體分辨率已經(jīng)設置為1 pixel/mm，那么需要的最大曝光時間是1/10每秒。因為物體移動一個距離恰好等于相機傳感器中的一個像素，當使用最大曝光時間時這里會有一定數(shù)量的模糊。在這種情況下，一般傾向于將曝光時間設置的比最大值要快，比如1/20每秒，就能保持物體在移動半個像素內成像。如果同樣的物體以1厘米/秒的速度移動，物體分辨率為1 pixel/微米，那么一秒中所需要的最大曝光是1/10000.曝光設置的對快取決于所采用的相機，還有你是否能夠給物體足夠的光來獲得一幅好的圖像。

不同類型的數(shù)碼相機鏡頭都有系列的具有自身特征的技術規(guī)格（這可由相關鏡頭的規(guī)格說明書查到），在這里要介紹其中我們攝影常提到的而且應當理解的“最近對焦距離”和“最大放大倍率”這兩個技術規(guī)格參數(shù)，至于鏡頭的其它的技術規(guī)格參數(shù)以后介紹。
在我的理解里主要和焦距與最近對焦距離相關如下圖：

為特定的應用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時必須考慮以下因素：
? 視野 - 被成像區(qū)域的大小。
? 工作距離 (WD) - 攝像機鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。 
? CCD - 攝像機成像傳感器裝置的尺寸。

? 這些因素必須采取一致的方式對待。如果在測量物體的寬度，則需要使用水平方向的 CCD 規(guī)格，等等。如果以英寸為單位進行測量，則以英尺進行計算，最后再轉換為毫米。

參考如下例子：有一臺 1/3” C 型安裝的 CDD 攝像機（水平方向為 4.8 毫米）。物體到鏡頭前部的距離為 12”（305 毫米）。視野或物體的尺寸為2.5”（64 毫米）。換算系數(shù)為 1” = 25.4 毫米（經(jīng)過圓整）。
 
FL = 4.8 毫米 x 305 毫米 / 64 毫米
FL = 1464 毫米 / 64 毫米
FL = 按 23 毫米鏡頭的要求
FL = 0.19” x 12” / 2.5”
FL = 2.28” / 2.5”
FL = 0.912” x 25.4 毫米/inch
FL = 按 23 毫米鏡頭的要求
注：勿將工作距離與物體到像的距離混淆。工作距離是從鏡頭前部到被觀察物體之間的距離。而物體到像的距離是 CCD 傳感器到物體之間的距離。計算要求的鏡頭焦距時，必須使用工作距離。

在一個機器視覺項目中，工業(yè)鏡頭是其中一個重要組成要素，那么在確定一個機器視覺方案時，我們應當怎樣選擇工業(yè)鏡頭呢。

1、明確客戶機器視覺方案中所要求的鏡頭視野范圍、光學倍率及工作距離

在進行工業(yè)鏡頭的選擇時，通常會選擇比被測物體視野稍大一點的鏡頭，以有利于運動控制。

2、景深要求：

于景深的要求，要盡可能使用小的光圈；對于放大倍率的選擇，在項目許可下盡可能選用低倍率工業(yè)鏡頭。如果項目要求比較嚴苛時，傾向選擇高景深的尖端工業(yè)鏡頭。

3、相機芯片尺寸和相機接口：

每款鏡頭都有匹配的相機接口和芯片尺寸規(guī)格，例如2/3”工業(yè)鏡頭支持最大的工業(yè)相機耙面為2/3”,它是不能支持1”以上的工業(yè)相機。

4、注意與光源的配合，選配合適的工業(yè)鏡頭

不同規(guī)格的鏡頭也有與之匹配的光源可供選擇。

5、客戶的安裝環(huán)境：
在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現(xiàn)實的，可以根據(jù)需求選擇光學參數(shù)相近，尺寸大小不同的鏡頭。

       機器視覺技術是計算機學科的一個重要分支，它綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術、圖像處理和模式識別等技術的快速發(fā)展，大大地推動了機器視覺的發(fā)展。

       簡而言之，機器視覺就是利用機器代替人眼來作各種測量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進行下去。一般來說，機器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機、檢測目標的尺寸還是檢測目標有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。

 一個完整的機器視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下：
       1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。
       2、圖像采集部分按照事先設定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。 
       3、攝像機停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。 
       4、攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構，曝光時間可以事先設定。
       5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應該與攝像機的曝光時間匹配。 
       6、攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。 
       7、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。 
       8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機的內存中。 
       9、處理器對圖像進行處理、分析、識別，獲得測量結果或邏輯控制值。

       10、處理結果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。

       從上述的工作流程可以看出，機器視覺是一種比較復雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴格的要求。在某些應用領域，例如機器人、飛行物體導制等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴格的要求。 

機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有： 
       1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。 
       2、具有較寬的光譜響應范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范圍。 

       3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務。

       機器視覺系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。

       工業(yè)鏡頭是工業(yè)相機的“眼睛”，保持鏡頭的潔凈才能獲得清晰的影像質量，在相機工作時，鏡片上難免會沾有手印、灰塵等污漬，如不及時清理，甚至會侵蝕鏡片上的涂層。在清潔鏡片上的灰塵時，應遵循吹、刷、擦的操作順序。

工具/原料
       組合一，氣吹+毛刷+超微無紡鏡頭紙。
       組合二，氣吹+毛刷+超級細纖維鏡頭布+專業(yè)清潔液。
       組合三，除塵壓縮氣罐+超級細纖維鏡頭布+專業(yè)清潔液+短棉棒。
 
步驟/方法
       1.用氣吹或除塵壓縮氣罐將大的灰塵顆粒吹離鏡片； 
       2.使用毛刷，從上到下輕輕刷去塵埃；
       3.如果遇到較頑固的污漬，需用超微無紡鏡頭紙或超級細纖維鏡頭布按照螺旋向外的順序由中心向四周擦拭；

       4.對于變焦環(huán)、對焦環(huán)等可以移動的部分邊緣，以及鏡頭上的開關按鈕等位置，使用短棉棒蘸取少量鏡頭清潔液擦拭。

注意事項：
       1.采用低端材質的鏡頭紙、鏡頭布等，不但其自身會產(chǎn)生灰塵或掉毛，還能將其他灰塵留存在本身，當反復擦拭，會給鏡頭玻璃造成劃痕。
       2.采用劣質橡膠的氣吹容易出現(xiàn)老化，并發(fā)生粘連情況，有些在成型制造中，使用滑石粉脫模成型工藝，這樣會將原有的粉塵吹入被清潔部位，勢必對器材造成二次污染。
       3.通常的污漬可以用超微無紡鏡頭紙或者超級細纖維鏡頭布直接擦拭;如果遇到很頑固的污漬，就要配合專業(yè)清潔液一道擦拭。

       CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質的區(qū)別。CCD只有少數(shù)幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術。而且CCD制造工藝較復雜，采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經(jīng)過技術改造，目前 CCD和CMOS的實際效果的差距已經(jīng)減小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多攝像頭生產(chǎn)廠商采用的CMOS感光元件。成 像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。

       CCD是目前比較成熟的成像器件，CMOS被看作未來的成像器件。因為CMOS結構相對簡單，與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同，從而生產(chǎn)成本可以降低。從原理上，CMOS的信號是以點為單位的電荷信號，而CCD是以行為單位的電流信號，前者更為敏感，速度也更快，更為省電?，F(xiàn)在高級的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工藝還不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率低而成像較差。

       CCD或CMOS，基本上兩者都是利用矽感光二極體（photodiode）進行光與電的轉換。這種轉換的原理與各位手上具備“太陽電能”電子計算機的“太陽能 電池”效應相近，光線越強、電力越強；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉換為電子數(shù)字信號。

       比較CCD和CMOS的結構，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡單的說，按我們在上一講“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之內容。CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩 沖器”中，由底端的線路引導輸出至CCD 旁的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出；相對地，CMOS的設計中每個像素旁就直接連著ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉換器），訊號直接放大并轉換成數(shù)字信號。

兩者優(yōu)缺點的比較

CCD與CMOS

       由于構造上的基本差異，我們可以列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。

       整體來說，CCD與CMOS兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，不同類型的差異：

       ISO感光度差異：由于CMOS每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。

       成本差異：CMOS應用半導體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地CCD采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。

       解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于CMOS每個像素的結構比CCD復雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS感光原件已經(jīng)可達到1400萬像素/全片幅的設計，CMOS技術在量率上的優(yōu)勢可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅24mm-by-36mm這樣的大小。

       噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個ADC放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。

       耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使CCD的電量遠高于CMOS。