工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺系統(tǒng)中的核心部件，對于機(jī)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(jī)又分為很多種：
1、彩色相機(jī)、黑白相機(jī)：
黑白相機(jī)直接將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機(jī)能獲得景物中紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的圖像信息。彩色相機(jī)的實(shí)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(jī)，利用光學(xué)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(zhuǎn)換成電信號，最后對輸出的數(shù)字信號進(jìn)行合成，得到彩色圖像。
2、CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)
芯片主要差異在于將光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電流、緩沖、信號輸出。對于CMOS傳感器，每個(gè)像元自己完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)字信號。
3、按靶面類型分類：面陣相機(jī)、線陣相機(jī)
相機(jī)不僅可以根據(jù)傳感器技術(shù)進(jìn)行區(qū)分，還可以根據(jù)傳感器架構(gòu)進(jìn)行區(qū)分。有兩種主要的傳感器架構(gòu)：面掃描和線掃描。面掃描相機(jī)通常用于輸出直接在監(jiān)視器上顯示的場合。線掃描相機(jī)用于連續(xù)運(yùn)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(jī)的一個(gè)自然的應(yīng)用是靜止畫面（Web Inspection）中要對連續(xù)產(chǎn)品進(jìn)行成像，比如紡織、紙張、玻璃、鋼板等。同時(shí)，線掃描相機(jī)同樣適用于電子行業(yè)的非靜止畫面檢測。像德國Kappa相機(jī)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(jī)、數(shù)字相機(jī)
根據(jù)相機(jī)數(shù)據(jù)輸出模式的不同分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)，模擬相機(jī)輸出模擬信號，數(shù)字相機(jī)輸出數(shù)字信號。模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)還可以進(jìn)一步細(xì)分，比如德國Kappa相機(jī)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(jī)分為逐行掃描和隔行掃描兩種，隔行掃描相機(jī)又包含EIA、NTSC、CCIR、PAL等標(biāo)準(zhǔn)制式。有關(guān)接口技術(shù)的詳細(xì)介紹請參考采集卡及采集技術(shù)部分。
在選擇一款工業(yè)數(shù)字相機(jī)時(shí)，物體成像的速度必須充分考慮好。例如，假設(shè)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(jī)；對于靜止或緩慢移動的物體，面陣工業(yè)相機(jī)最適合于對靜止或移動緩慢的物體成像。因?yàn)檎麄€(gè)面陣區(qū)域必須一次曝光，在曝光時(shí)間當(dāng)中任何的移動會導(dǎo)致圖像的模糊，但是，運(yùn)動模糊可以通過減少曝光時(shí)間或使用閃光燈來控制；對于快速移動的物體，當(dāng)對運(yùn)動的物體使用一個(gè)面陣工業(yè)相機(jī)時(shí)，需要考慮在曝光時(shí)間當(dāng)中處于工業(yè)相機(jī)當(dāng)中的運(yùn)動對象數(shù)量，還需要考慮物體上能用一個(gè)像素表征的最小特征，也就是對象分辨率，在采集運(yùn)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(gè)像素的時(shí)間內(nèi)。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(shè)置為1 pixel/mm，那么需要的最大曝光時(shí)間是1/10每秒。因?yàn)槲矬w移動一個(gè)距離恰好等于相機(jī)傳感器中的一個(gè)像素，當(dāng)使用最大曝光時(shí)間時(shí)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(shí)間設(shè)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(gè)像素內(nèi)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(shè)置的對快取決于所采用的相機(jī)，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(jī)鏡頭都有系列的具有自身特征的技術(shù)規(guī)格（這可由相關(guān)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(yīng)當(dāng)理解的“最近對焦距離”和“最大放大倍率”這兩個(gè)技術(shù)規(guī)格參數(shù)，至于鏡頭的其它的技術(shù)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(guān)如下圖：

為特定的應(yīng)用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時(shí)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(jī)鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。 
? CCD - 攝像機(jī)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(jìn)行測量，則以英尺進(jìn)行計(jì)算，最后再轉(zhuǎn)換為毫米。

參考如下例子：有一臺 1/3” C 型安裝的 CDD 攝像機(jī)（水平方向?yàn)?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(jì)算要求的鏡頭焦距時(shí)，必須使用工作距離。

在一個(gè)機(jī)器視覺項(xiàng)目中，工業(yè)鏡頭是其中一個(gè)重要組成要素，那么在確定一個(gè)機(jī)器視覺方案時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)怎樣選擇工業(yè)鏡頭呢。

1、明確客戶機(jī)器視覺方案中所要求的鏡頭視野范圍、光學(xué)倍率及工作距離

在進(jìn)行工業(yè)鏡頭的選擇時(shí)，通常會選擇比被測物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，以有利于運(yùn)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(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率工業(yè)鏡頭。如果項(xiàng)目要求比較嚴(yán)苛?xí)r，傾向選擇高景深的尖端工業(yè)鏡頭。

3、相機(jī)芯片尺寸和相機(jī)接口：

每款鏡頭都有匹配的相機(jī)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(jī)耙面為2/3”,它是不能支持1”以上的工業(yè)相機(jī)。

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(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的，可以根據(jù)需求選擇光學(xué)參數(shù)相近，尺寸大小不同的鏡頭。

       機(jī)器視覺技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)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(yīng)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(jī)、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動了機(jī)器視覺的發(fā)展。

       簡而言之，機(jī)器視覺就是利用機(jī)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(gè)人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯(cuò)誤，但是機(jī)器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來說，機(jī)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(gè)應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測目標(biāo)的尺寸還是檢測目標(biāo)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(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動控制部分。

 一個(gè)完整的機(jī)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(yùn)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(shè)定的程序和延時(shí)，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。 
       3、攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)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(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時(shí)間可以事先設(shè)定。
       5、另一個(gè)啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時(shí)間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時(shí)間匹配。 
       6、攝像機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。 
       9、處理器對圖像進(jìn)行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。

       10、處理結(jié)果控制流水線的動作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動的誤差等。

       從上述的工作流程可以看出，機(jī)器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運(yùn)動物體，系統(tǒng)與運(yùn)動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時(shí)間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)制等，對整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴(yán)格的要求。 

機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍。 

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

       機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(jī)的“眼睛”，保持鏡頭的潔凈才能獲得清晰的影像質(zhì)量，在相機(jī)工作時(shí)，鏡片上難免會沾有手印、灰塵等污漬，如不及時(shí)清理，甚至?xí)治g鏡片上的涂層。在清潔鏡片上的灰塵時(shí)，應(yīng)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(xì)纖維鏡頭布+專業(yè)清潔液。
       組合三，除塵壓縮氣罐+超級細(xì)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(xì)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(guān)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(xiàng)：
       1.采用低端材質(zhì)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(dāng)反復(fù)擦拭，會給鏡頭玻璃造成劃痕。
       2.采用劣質(zhì)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(xì)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(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。CCD只有少數(shù)幾個(gè)廠商例如索尼、松下等掌握這種技術(shù)。而且CCD制造工藝較復(fù)雜，采用CCD的攝像頭價(jià)格都會相對比較貴。事實(shí)上經(jīng)過技術(shù)改造，目前 CCD和CMOS的實(shí)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(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實(shí)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(zhì)量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性，因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)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?yàn)镃MOS結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jìn)行光與電的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換的原理與各位手上具備“太陽電能”電子計(jì)算機(jī)的“太陽能 電池”效應(yīng)相近，光線越強(qiáng)、電力越強(qiáng)；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)字信號。

       比較CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)，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(nèi)容。CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩 沖器”中，由底端的線路引導(dǎo)輸出至CCD 旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián)ADC輸出；相對地，CMOS的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

兩者優(yōu)缺點(diǎn)的比較

CCD與CMOS

       由于構(gòu)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(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)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(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。

       整體來說，CCD與CMOS兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪點(diǎn)與耗電量等，不同類型的差異：

       ISO感光度差異：由于CMOS每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)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(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負(fù)擔(dān)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(gè)像素故障（Fail），就會導(dǎo)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(diǎn)“感光度差異”中，由于CMOS每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比CCD復(fù)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(shí)，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(dá)到1400萬像素/全片幅的設(shè)計(jì)，CMOS技術(shù)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(diǎn)差異：由于CMOS每個(gè)感光二極體旁都搭配一個(gè)ADC放大器，如果以百萬像素計(jì)，那么就需要百萬個(gè)以上的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對比單一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的噪點(diǎn)就比較多。

       耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)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(gè)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(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動電壓使CCD的電量遠(yuǎn)高于CMOS。