生产线上，一台看似普通的相机正以每秒数百帧的速度捕捉着微小零件的图像，它背后的工作原理远比我们想象的复杂。
工业相机的核心结构主要包括传感器、驱动电路、信号处理电路和电子接口等部分-4。传感器作为最核心的元件，负责将光信号转换为电信号-4。
CMOS技术正逐渐成为市场主流，其成本更低且处理速度更快-8。而CCD传感器仍在使用于那些需要极高图像品质的应用领域-8。
工业相机可不是我们日常拍照用的那种相机。这玩意儿是机器视觉系统的“眼睛”，专门在工业环境下干活的。跟普通相机比起来，它的图像稳定性强，传输能力高，抗干扰能力也不是一个级别的-1-9。
得让它们在流水线上代替人眼做测量和判断，把目标转换成图像信号，传给专门的图像处理系统-9。
现代工业相机主要基于CCD或CMOS芯片-1。你可能不知道，CCD相机以电荷为信号载体，通过光电转换形成电荷包，然后在驱动脉冲的作用下转移、放大，最终输出图像信号-1。
这玩意儿集成了光电转换、电荷存储、电荷转移和信号读取功能，真是把多个工序塞进了一个器件里-1。
说到工业相机的结构及原理，得从它的硬件组成说起。主要包含传感器、驱动电路、信号处理电路、电子接口和机械光学接口等部分-4。
传感器是绝对的核心，它在驱动脉冲的指挥下完成光电荷的转换、存储、转移和输出-4。
CCD相机由CCD芯片、时序产生电路模块、信号处理电路模块和电子接口组成-1。时序产生电路模块提供水平驱动脉冲，帮助CCD芯片完成那些复杂的电荷操作-1。
信号处理电路模块则负责接收CCD芯片传来的电信号，对脉冲进行采集、保持，还能自动增益控制、视频信号合成-1。最终把这些电信号变成我们需要的视频格式-1。
CMOS相机又是另一套结构，主要由CMOS芯片、外围控制电路和数据采集处理模块构成-1。CMOS芯片直接输出数字信号-1。现在很多CMOS相机配备了FPGA或DSP数据处理模块，可以直接对图像数据进行滤波、校正等预处理-1。
工业相机的灵魂就在传感器上。目前主要有两种技术路线：CCD（电荷耦合装置）和CMOS（互补金属氧化物半导体）-8。
CCD传感器的历史更悠久，它基于光电效应，直接以电荷量输出——光照强的像素点积累的电荷数就越多-7。CCD芯片输出的是模拟信号-7。
CMOS技术则比较“新潮”，它给每个像素点的光电效应产生的电荷都配了个放大器，所以芯片可以直接输出数字信号-7。
两种传感器在性能上各有千秋。CCD相机发展时间长，成像效果往往更好一些-7。但CMOS凭借直接输出数字信号的优势，正成为市场主流-7。
CMOS传感器成本更低，处理速度也更快，市场份额越来越大-8。但CCD在需要极致图像品质的领域仍有自己的位置-8。
工业相机的快门方式直接影响成像质量。主要有两种类型：滚动快门和全局快门-8。
滚动快门图像传感器会连续曝光一行行像素-8。这种设计成本较低，但如果拍摄对象快速移动，图像就可能出现失真-8。
全局快门图像传感器则能同时曝光图像上的所有像素-8。虽然制造起来更复杂，但随着技术进步，价格已经下降，现在广泛应用于工业领域-8。
全局快门特别适合拍摄快速运动的物体，因为它能“冻结”某一时刻的运动状态-4。相比之下，卷帘快门是逐行顺序曝光，对运动物体的拍摄效果就不那么理想了-4。
除了快门方式，传感器还有很多其他特性需要考虑：尺寸、分辨率、像素尺寸、帧率、灵敏度和动态范围-8。传感器的光谱范围也可以比人眼更广，有些能检测红外线，适合特定的工业应用-8。
工业相机的分类方式多种多样，根据不同的标准可以分成不同的类型。按芯片类型可分为CCD相机和CMOS相机-9。按传感器的结构特性则可以分为线阵相机和面阵相机-9。
线阵相机呈“线”状，主要用于两种情况：一是被测视野为细长的带状；二是需要极宽的视野或极高的精度-1。线阵相机的传感器分辨率极高，可以精确到微米级别-1。
面阵相机的应用范围更广，可以测量面积、形状、尺寸、位置甚至温度-1。它能快速获取二维图像信息，直观地进行测量-1。但缺点是总像元数太多，帧率受到一定限制-1。
还有按输出信号方式分的模拟相机和数字相机；按输出色彩方式分的黑白相机和彩色相机-9。彩色相机通常可以表示1677万种颜色，也就是我们说的全彩色图像-1。
智能相机，也叫集成式机器视觉系统，是工业相机的一个重要发展方向-3。它不是简单的相机，而是高度集成化的微小型机器视觉系统-9。
它将图像采集、处理与通信功能集成于单一相机内-3。采用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，智能化程度不断提高-3。
智能相机由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件和网络通信装置四大模块组成-3。图像采集单元相当于采集卡，输出至图像处理单元-3。
图像处理软件在硬件支持下，完成标定、定位、几何测量等功能-3。网络通信装置则负责控制信息和图像数据的通信任务-3。
智能相机具有体积紧凑、安装便捷和高稳定性的特点-3。它已经固化了成熟的视觉功能，提供便捷的配置界面，无需编程就能快速实现定位、测量、识别等多种功能-3。
传统工业相机主要提供二维图像，而3D相机能获取深度信息，打开了一个新的维度。结构光相机是3D相机的一种主流技术，由2D相机和投影仪组成-10。
它的工作原理很有创意：投影仪投射特定样式的结构光到物体表面，物体形状会导致结构光样式变形-10。相机根据变形后的结构光样式，计算出物体的深度数据-10。
图漾的三维智能相机采用独立知识产权的主动双目视觉技术，能获取比传统双目视觉更多的景深细节和更强的环境适应性-6。它包含双目红外摄像机、彩色摄像头和结构光投射器-6。
这种相机采用铝合金材质机身，结构坚固，适用于各种严苛的工业场景-6。防护等级达到IP54，能防溅、防水、防尘-6。还支持触发模式，可由用户控制进行单帧拍摄-6。
挑选工业相机时，有几个关键参数需要特别关注。分辨率是首要考虑的因素，它表示每英寸包含的像素数-1。相机分辨率越高，成像后对细节的展示就越明显-1。
分辨率的高低取决于相机中芯片上的像素数量-1。例如，一个30万像素的相机，分辨率通常是640×480-1。
帧率也很重要，它表示图像处理器在1秒内能够采集图像的数量-1。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的图像-1。一般来说，帧率应大于30fps，提升到60fps能明显增强交互感和逼真感-1。
还有像元尺寸，也就是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸-1。通过选择大的像元尺寸可以弥补图像亮度的不足-1。常见的有3.45μm、3.75μm、4.4μm等尺寸-1。
动态范围是另一个关键指标，它反映了传感器的工作范围-4。普通CCD相机的动态范围一般为60-80dB，而采用特殊技术（如LinLog技术）的相机可将动态范围提高至120dB-4。
工业相机需要与图像处理设备连接，接口技术直接影响到数据传输的速度和稳定性。相机接口主要分为模拟接口和数字接口-1。
模拟接口的数据传输速度慢，稳定性和精度较低-1。数字接口已成为主流技术，常用的有USB 2.0、USB 3.0、IEEE 1394、GigE、Camera Link、CoaXPress等-1。
GigE（千兆以太网接口）是现在应用最广泛的接口之一-7。它基于千兆以太网通信协议开发，传输距离最远可达100米-1。允许用户使用标准线缆进行快速图像传输，在不同厂商的软硬件之间也能轻松切换-1。
Camera Link接口则是专门针对高速图像数据需求的标准接口-7。它在Channel Link技术基础上增加传输控制信号，抗干扰性强，传输速率高达5.4Gbps-1。
CoaXPress是一种非对称的高速点对点串行通信数字接口-1。它允许设备通过单根同轴电缆连接到主机，单根线缆传输速率可达6.25Gbps，4根线缆组合更可高达25Gbps-1。
工业相机的结构及原理在实际应用中如何指导我们选型？首先要根据应用需求确定相机类型。如果是检测连续运动的带状物体，或者需要极宽视野、极高精度，线阵相机可能是更好的选择-1。
对于大多数需要获取二维图像信息的应用，面阵相机更为适合-1。
在CCD和CMOS之间如何抉择？CCD相机主要应用在运动物体的图像提取，比如贴片机机器视觉-5。CMOS相机则成本更低，功耗更小，应用越来越广泛-5。
帧率的选择取决于被测物体是否有运动要求-5。但要注意，一般来说分辨率越高，帧率越低-5。分辨率的选择则应首先考虑待观察或待测量物体的精度-5。
还有一个实用公式：相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率-5。为增加系统稳定性，通常不会只用1个像素对应1个测量精度值，一般选择倍数4或更高-5。
最后要确保相机与镜头的匹配——传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配-5。
生产线上，一台CMOS面阵相机正以全局快门方式“冻结”快速通过的零件影像，其千兆以太网接口将数据实时传输到处理系统，系统瞬间判断出零件上0.02毫米的划痕。
远处的质检员面前的屏幕自动标记出缺陷位置，她甚至没有触碰任何按钮，一整天的产品检测已在不知不觉中完成。
