工業(yè)相機(jī)在國內(nèi)機(jī)器視覺市場的發(fā)展
工業(yè)相機(jī)（Industrial Camera）也稱作“機(jī)器視覺相機(jī)”，是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其*基礎(chǔ)功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號。相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，“工業(yè)相機(jī)”一詞或許不是很準(zhǔn)確，因?yàn)檫@些相機(jī)還同時被應(yīng)用在醫(yī)療、科研和安保等領(lǐng)域。
數(shù)字工業(yè)相機(jī)安裝在機(jī)器流水線上代替人眼來做測量和判斷，通過數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。廣泛應(yīng)用于飲料、制藥、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。
工業(yè)相機(jī)由兩大基本部件組成：圖像感光芯片和數(shù)字化的數(shù)據(jù)接口。 圖像感光芯片由數(shù)十萬至數(shù)百萬個像素組成。 像素把光線的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 這些像素的電壓被以灰度值的形式輸出，所有像素放在一起就形成了圖像，發(fā)送給計(jì)算機(jī)。 數(shù)據(jù)接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太網(wǎng)三種。 一般工業(yè)相機(jī)都提供640x480像素的分辨率和30fps的幀速率。
CCD是60年代末期由貝爾試驗(yàn)室發(fā)明。開始作為一種新型的PC存儲電路，很快CCD具有許多其他潛在的應(yīng)用，包括信號和圖像（硅的光敏性）處理。
CCD 是在薄的硅晶片上處理一系列不同的功能，在每一個硅晶片上分布幾個相同的IC等可產(chǎn)生功能的元件，被選擇的IC從硅晶片上切下包裝在載體里用在系統(tǒng)上。
目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。
CCD是目前機(jī)器視覺*為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
CMOS圖像傳感器的開發(fā)*早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初，90 年代初期，隨著*大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。
CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。
總結(jié)下來,CCD工業(yè)相機(jī)的主要類型：
一、面陣CCD：
允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。
二、線陣CCD：
用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對應(yīng)于紅、綠、藍(lán) 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時，受局限于非移動的連續(xù)光照的物體。
三、三線傳感器CCD：
在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時，完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機(jī)，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。
四、交織傳輸CCD：
這種傳感器利用單獨(dú)的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時在讀取當(dāng)前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和拍攝動畫的廣播拍攝機(jī)。
五、全幅面CCD：
此種CCD具有更多電量處理能力，更好動態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學(xué)分辨率，全幅面CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點(diǎn)寄存器、串行浮點(diǎn)寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機(jī)械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息并把它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復(fù)執(zhí)行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進(jìn)行精確的圖像重組。
工業(yè)相機(jī)（Industrial Camera）與普通相機(jī)（DSC）的區(qū)別：
1、工業(yè)相機(jī)的快門時間非常短，可以抓拍快速運(yùn)動的物體：例如，把名片貼在電風(fēng)扇扇葉上，以*大速度旋轉(zhuǎn)，然后用工業(yè)相機(jī)抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用一般的相機(jī)來拍攝，是不可能達(dá)到這樣效果的。
2、工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而一般攝像機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，甚至是隔三行掃描的。逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)比較困難，成品率低，出貨量也少，世界上只有少數(shù)幾個公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。百萬級逐行掃描ccd的價格，從人民幣4000元到3萬元不等，其中的技術(shù)參數(shù)繁多，只有采用逐行掃描的圖像傳感器，才有可能清晰抓拍快速運(yùn)動物體。
3、工業(yè)相機(jī)的拍攝速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般相機(jī)：工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而一般相機(jī)只能拍攝2-3幅圖像，相差太多了。
4、工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)（raw data），其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視覺（Machine Vision）應(yīng)用。而一般的相機(jī)（DSC）拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差。
數(shù)碼相機(jī)曝光的整個流程：
1． 機(jī)械快門打開，CCD曝光
2． 在CCD內(nèi)部光信號轉(zhuǎn)為電信號
3． 快門關(guān)閉，阻塞光線。
4． 電量傳送到CCD輸出口轉(zhuǎn)化為信號。
5． 信號被數(shù)字化，數(shù)字資料輸入內(nèi)存。
6． 圖像資料被進(jìn)行處理，顯示在LCD或電腦上。
面陣數(shù)碼相機(jī)如何解決彩色圖像的曝光？
1．三塊CCD同時曝光的方法
*種方法是采取了三塊CCD芯片同時曝光的方法，它可以在一次曝光拍攝的同時，捕捉到所有的彩色信息。當(dāng)光線通過鏡頭射向CCD表面的時候，由一個特制的棱鏡式分光鏡，將影像的成像光速成分射到三個不同的CCD平面。每一個CCD只記錄紅綠藍(lán)色光中一種色光的彩色信息，并且只再現(xiàn)一種色彩，然后通過軟件的對準(zhǔn)處理，合成為一幅完整的全彩色畫面。
2、單一芯片三次曝光的拍攝方式
面陣排列數(shù)碼相機(jī)捕捉彩色信息的第二種方法是“單一芯片三次曝光的拍攝方式”。采取這樣的方法時，數(shù)碼相機(jī)鏡頭的前方需要安裝一個濾色片轉(zhuǎn)輪，拍照時必須通過轉(zhuǎn)輪中的紅綠藍(lán)三塊濾色片，分別做三次單獨(dú)的曝光，分別記錄下紅綠藍(lán)光的彩色信息。*后照相機(jī)的軟件將三次曝光的影像信息結(jié)合在一起，構(gòu)成為全彩色的影像。3、單芯片一次曝光的拍攝方式
第三種方式是“單芯片一次曝光的拍攝方式”。在這一方式中，每一單個的像素都以兩種方式覆蓋著不同的紅，綠，藍(lán)色濾色片，一種是條紋覆蓋法，另一種是馬賽馬克圖案交錯覆蓋法。有些芯片上的綠濾色片多于紅色和藍(lán)色濾色片，這是因?yàn)樾枰ミm應(yīng)人眼視覺在可見光譜中對綠色更為敏感的特點(diǎn)。這樣，較多地使用綠色濾色片可以改善影像的分辨率。每一個感光的像素只能捕獲一種彩色，它需要從相鄰的像素那里獲得更多的彩色信息，這是采取插值的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)的。如果不正確的彩色信息被賦值于像素之中，那么插值的效果也會出現(xiàn)問題，這通常在高反差影像的邊緣部分表現(xiàn)得*為明顯，比如黑色的文字，常常會出現(xiàn)彩色的鑲邊。
CCD在圖像運(yùn)作的三大角色：
1．曝光，通過離散的像素將光信號變?yōu)殡娦盘枴?/span>
當(dāng)入射光以光子的形式落在像素陣列上時，就獲得一個圖像。每一個光子相對應(yīng)的能量被硅吸收就發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一個（電子孔）電量組，每一個像素所能收集到的電子數(shù)，線性地取決于光亮的程度和曝光的時間，非線性的取決于波長。
2.電量轉(zhuǎn)移，在CCD內(nèi)部進(jìn)行電量轉(zhuǎn)移。
一旦電量被集中并保持在像素的結(jié)構(gòu)中，就一定會使在物理上與像素分離的偵測放大器得到電量，當(dāng)一個像素的電量移動時，同時相對應(yīng)的像素的電量都會移動。電量對電壓的轉(zhuǎn)換并輸出放大。
機(jī)器視覺進(jìn)駐中國市場時間較晚，盡管近幾年來，機(jī)器視覺系統(tǒng)在我國得到了穩(wěn)步的發(fā)展，但是相較于國外的產(chǎn)品，還是存在一定差距的。工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心組成部分，隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展，不管從技術(shù)上，還是在市場上，也得到了一定的進(jìn)步。那么在未來的發(fā)展過程中，什么樣的工業(yè)相機(jī)更適合中國機(jī)器視覺市場呢？
一、價格方面 在國內(nèi)，目前機(jī)器視覺的主要應(yīng)用大部分還是聚集在大規(guī)模的自動化生產(chǎn)領(lǐng)域，而一般情況下，這些領(lǐng)域?qū)τ诔杀臼欠浅Ｃ舾械?，資金投入方面還存在一定的局限性?，F(xiàn)在的工業(yè)相機(jī)市場，從國外購進(jìn)，價格只增不減；國內(nèi)自行生產(chǎn)，因?yàn)榧夹g(shù)的不斷升級，成本不斷增加，價格也出現(xiàn)了相應(yīng)的升高。因此，在未來的發(fā)展過程中，國內(nèi)機(jī)器視覺市場需要的是低成本的工業(yè)相機(jī)。
二、質(zhì)量方面 價格是前提的話，質(zhì)量就是基礎(chǔ)，中國想要趕*國際水平，就萬萬不能在質(zhì)量上出現(xiàn)問題。未來需要更自動化、智能化的工業(yè)相機(jī)來適應(yīng)機(jī)器視覺市場發(fā)展的需要，那么想要打造質(zhì)量過硬的產(chǎn)品，我們應(yīng)該從哪些方面入手呢？首先，我國要擁有核心技術(shù)，當(dāng)然，目前來說，這個過程還是很漫長的，我國與世界*水平的差距不是短時間就可以拉平的。其次，不斷研發(fā)創(chuàng)新，這是促進(jìn)我國科技水平進(jìn)步的基本保障，為了能夠滿足不斷發(fā)展的市場需求。*后，很好的加工制造能力，這一點(diǎn)對于中國來說，還是比較占用優(yōu)勢的，中國的制造能力在世界上都是被認(rèn)同的，但是，中國想要發(fā)展，就不應(yīng)只是局限在中國制造的階段，而應(yīng)逐步走上中國創(chuàng)造的舞臺。穩(wěn)定可靠的質(zhì)量，是未來發(fā)展中，工業(yè)相機(jī)所需要具備的特性。 綜上所述，在我國大步趕*國際*水平這段過程中，高性價比的工業(yè)相機(jī)是更適合中國機(jī)器視覺市場。