机器视觉检测的基础知识-相机篇
相机都有哪些种类？我们常说的 CCD 就是相机么？除了 2D 平面相机，是否还有其他种类的相机，原理又是什么？下面这篇文章给您一一道来。
相机都有哪些种类？我们常说的 CCD 就是相机么？除了 2D 平面相机，是否还有其他种类的相机，原理又是什么？下面这篇文章给您一一道来。
一，相机就是 CCD 么？
通常，我们把相机都叫作 CCD，CCD 已经成了相机的代名词。其实很可能正在使用的是 CMOS。CCD 以及 CMOS 都称为感光元件，都是将光学图像转换为电子信号的半导体元件。他们在检测光时都采用光电二极管，但是在信号的读取和制造方法上存在不同。两者的区别如下：
| CCD | CMOS | |
|---|---|---|
| 制造技术 | 比较困难 | 比较容易 （可以转而使用通用半导体制造装置） |
| 制造成本 | 高价 | 低价 |
| 消耗电力 | 多 | 少 |
| 干扰 | 比较少 | 比较高 |
| 对光的敏感度 | 高 | 不如 CCD |
二，像素
所谓像素，是指图像的最小构成单位。电脑中的图像，是通过像素（或者称为 PIXEL）这一规则排列的点的集合进行表现的。每一个点都拥有色调和阶调等色彩信息，由此就可以描绘出彩色的图像。
例如：液晶显示器上会显示「分辨率 ：1280×1024」等。这表示横向的像素数为 1280，纵向的像素数为 1024。这样的显示器的像素总数即为 1280×1024＝1,310,720。由于像素数越多，则越可以表现出图像的细节，因此也可以说「清晰度更高」。
三，像素直径
所谓像素直径，是指每个 CCD 元件的大小，通常使用μm 作为单位。
严谨的说，这个大小中包含了受光元件与信号传送通路。（＝像素间距，即某个像素的中心到邻近一个像素的中心的距离）。也就是说，像素直径与像素间距的值是一样的。如果像素直径较小，则图像将通过较小的像素进行描绘，因此可以获得更加精细的图像。可以通过像素直径和有效像素数，求出 CCD 元件的受光部的大小。
假设某个 CCD 元件的条件如下所示：
- 有效像素数… 768 × 484
- 像素直径… 8.4μm × 9.8μm
则受光部的大小为
- 横向 768 × 8.4μm ＝ 6.4512mm
- 纵向 484 × 9.8μm ＝ 4.7432mm
四，CCD 的大小
CCD 感光元件的大小，一般分为采用英寸单位表示和采用 APS-C 大小等规格表示这 2 种方式。
采用英寸表示时，该尺寸并不是拍摄的实际尺寸，而是相当于摄像管的对角长度。
【例】1/2 英寸的 CCD 表示「拥有相当于 1/2 英寸的摄像管的拍摄范围」。
为什么如此计算呢？这是由于当初制造 CCD 的目的就是用来代替电视机录像机的摄像管的。当时，由于想要继续使用镜头等光学用品的需求比较强烈，由此就诞生了这种奇怪的规格。主要的英寸规格的尺寸如下表所示。
| 尺寸 | 对角长度 | 拍摄区域 |
|---|---|---|
| 2/3 英寸 | 11mm | W8.8×H6.6mm |
| 1/2 英寸 | 8mm | W6.4×H4.8mm |
| 1/3 英寸 | 6mm | W4.8×H3.6mm |
| 1/4 英寸 | 4.5mm | W3.6×H2.0mm |
五，快门速度
快门速度，表示 CCD 或 CMOS 感光元件中蓄积电荷的时间。
如果快门速度为 1/250，则蓄积光的时间为 1/250 秒。快门速度越快，则元件的受光量越少，相反如果快门速度越慢，则元件的受光量越多。
也可以说，快门速度将起到了调整光量的作用。
关于快门速度和受光量（正确来说应该称为蓄积的电荷量），存在以下的关系：
【例】如果将快门速度基准定为 1/1000 秒（1ms），则
- 快门速度变为 1/500 秒（2ms），则受光量变为 2 倍。
- 快门速度变为 1/2000 秒（0.5ms），则受光量变为 1/2。
六，增益
所谓增益，是指将图像信号进行电子增幅的过程。用于图像处理的 CCD 中，配备了可以通过在暗处拍摄时增幅信号，从而看上去变得明亮的功能。另外，还配有根据拍摄对象的亮度自动进行调整的增益控制功能等。
【例】在 1/10000 快门速度下拍摄，增加增益前后的对比如下：
七，1D 相机（线扫描相机）
面型相机
前面所有我们提到的像素呈矩阵排列的 CCD，即为覆盖视觉检测中 99% 应用的面阵相机。
线型相机
而线阵相机在长度方向目前最多有 16K 像素，但是宽度方向只有一个像素。通过移动来获取图像。
相比于平面相机，线扫相机主要优势体现在两个方面：
- 更高的分辨率。
- 成像质量更高。（反光产品，柱状体产品）
另外，对于布匹装的连续监测的产品，线扫描相机也非常方便。
但是，相比于面阵相机，线扫描相机成本更高，安装架设难度更高。同时，需要配合编码器来配合触发拍照，需要有这方面的 Know-how。
最后，线扫描相机需要使用特殊的镜头和光源。
八，3D 相机
目前市面的 3D 相机根据成像原理不同，主要分为三种。
- 激光类（Laser）
- 多目类（Binocular Vision）
- 光栅类（Strip Pattern）
1，激光类（Laser）
主要是通过三角反射原理，激光发生器投出激光束照在物体表面，反射回来的光线被 CCD 接受，然后建模成 3D 图像。
激光扫描成像
2，双目类（Binocular Vision）
双目立体视觉是指用两台性能相当、位置固定的 CCD 摄像机， 获取同一景物的两幅图像，通过两个摄像头所获取的二维图像，来计算出景物的三维信息。
在原理上比较类似人类的双目视觉。组建一个完整的双目立体视觉系统一般需要经过摄像机标定，图像匹配，深度计算等步骤。
九，2.5D 相机
（详细介绍请参考之前历史文章）通过控制光源从不同角度照明，得到图像凹凸信息产生的阴影图像，而最后合成计算得到 3D 信息的图像（注：高度 “Z” 方向不能定量测量，所以叫 2.5D）。
原图 --> 合成图像
本文转载自基恩士官网， 原文地址 www.keyence.com.cn