高速相機(jī)原理

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是機(jī)器視覺最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(hào)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(hào)，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)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)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初，90 年代初期，隨著超大規(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(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)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)。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

任何東西分類一定有它自己的分類標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)相機(jī)也不例外，按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

高速相機(jī)一般采用CameraLink接口，也有采用USB 3.0接口的. CameraLink接口需要在電腦機(jī)箱內(nèi)安裝專用的采集卡; 而USB 3.0接口則無需專用采集卡, 因此使用更方便, 筆記本電腦連接也很方便.

做圖像處理,處理的對(duì)像是從工業(yè)相機(jī)來的圖像，所以，工業(yè)相機(jī)的選擇是不可缺少而且非常重要的一步。

首先要弄明白的是自己的檢測(cè)任務(wù)，是靜態(tài)拍照還是動(dòng)態(tài)拍照、拍照的頻率是多少、是做缺陷檢測(cè)還是尺寸測(cè)量或者是定位、產(chǎn)品的大?。ㄒ曇埃┦嵌嗌?、需要達(dá)到多少精度、所用軟件的性能、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況如何、有沒有其它的特殊要求等。如果是動(dòng)態(tài)拍照，運(yùn)動(dòng)速度是多少，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度選擇最小曝光時(shí)間以及是否需要逐行掃描的相機(jī)；而相機(jī)的幀率（最高拍照頻率）跟像素有關(guān)，通常分辨率越高幀率越低，不同品牌的工業(yè)相機(jī)的幀率略有不同；根據(jù)檢測(cè)任務(wù)的不同、產(chǎn)品的大小、需要達(dá)到的分辨率以及所用軟件的性能可以計(jì)算出所需工業(yè)相機(jī)的分辨率；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境最要考慮的是溫度、濕度、干擾情況以及光照條件來選擇不同的工業(yè)相機(jī)。

舉例說明：如我們的檢測(cè)任務(wù)是尺寸測(cè)量，產(chǎn)品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水線作業(yè)，檢測(cè)速度是10件/秒，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是普通工業(yè)環(huán)境，不考慮干擾問題。首先我們知道是流水線作業(yè)，速度比較快，因此選用逐行掃描相機(jī)；視野大小我們可以設(shè)定為20mm*12mm（考慮每次機(jī)械定位的誤差，將視野比物體適當(dāng)放大），假如我們能夠取到很好的圖像（比如可以打背光），而且我們軟件的測(cè)量精度可以考慮1/2亞像素精度，那么我們需要的相機(jī)分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel（像素），另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是說我們相機(jī)的分辨率至少需要1000*600pixcel，幀率在10幀/秒，因此選擇1024*768像素（軟件性能和機(jī)械精度不能精確的情況下也可以考慮1280*1024pixcel），幀率在10幀/秒以上的即可。

一般高速相機(jī)指的是數(shù)字工業(yè)相機(jī)，其一般安裝在機(jī)器流水線上代替人眼來做測(cè)量和判斷，通過數(shù)字圖像攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)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(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。 廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)、制藥、印刷、電子、電氣制造、以及更高要求的行業(yè)。

1、工業(yè)領(lǐng)域，如開發(fā)金屬材料及樹脂材料時(shí)，用來觀察材料受到?jīng)_擊時(shí)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的方向、狀態(tài)等，可用來分析材料被破壞時(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；

2、體育項(xiàng)目上，如捕捉棒球及高爾夫球擊球時(shí)球的狀態(tài)、與空氣產(chǎn)生的阻力等等，

3、包裝和標(biāo)簽行業(yè)的印刷過程中，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到高速印刷中非常細(xì)微的印刷缺陷。發(fā)現(xiàn)印刷缺陷可以為生產(chǎn)提供有價(jià)值的信息，以便在生產(chǎn)過程中采取措施，減少最終的損失。各種印刷中常見的缺陷如劃痕、灰塵、漏印、墨痕和褶皺等都可以輕松被檢測(cè)出來。不但提高投資回報(bào)和減少?gòu)U品發(fā)出，更提高了客戶滿意度和信任度。

4、在開發(fā)產(chǎn)品和驗(yàn)證產(chǎn)品等方面，數(shù)字工業(yè)相機(jī)對(duì)被攝物的大小沒有限制，根據(jù)鏡頭的條件，既可拍攝一般物質(zhì)，也可用于顯微鏡攝影。

該產(chǎn)品提供SDK 和Demo 程序源碼，可以很靈活的進(jìn)行二次開發(fā)。

5、軍事領(lǐng)域：火藥爆破分析.彈道分析.炸藥爆炸，子彈出膛，火箭發(fā)射.煙火分析，防御裝置設(shè)計(jì)，撞擊分析，武器機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析，火藥點(diǎn)火過程，飛行分析，穿甲過程分析，槍火分析等

6、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng).高分辨率高速顯微鏡成像.細(xì)胞高速成像；生物力學(xué)；生物運(yùn)動(dòng)分析；動(dòng)物仿真學(xué)；動(dòng)物動(dòng)作分析；人體步態(tài)分析；昆蟲或鳥類翅膀運(yùn)動(dòng)；康復(fù)物理治療.細(xì)胞、瓣膜運(yùn)動(dòng)、出血觀察；吞咽、呼吸道鞭毛運(yùn)動(dòng).汽車測(cè)試領(lǐng)域：安全氣囊分析；機(jī)器人動(dòng)作分析；擺臂分析；撞擊試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)分析；防護(hù)裝置性能測(cè)試；氣缸噴流

7、體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域：仿真設(shè)備測(cè)試；運(yùn)動(dòng)動(dòng)作姿態(tài)分析；沖線瞬間拍攝；羽毛球，網(wǎng)球，田徑運(yùn)動(dòng)，兵乓球動(dòng)作姿態(tài)分析；高爾夫動(dòng)作；體育運(yùn)動(dòng)輔助訓(xùn)練

8、影視制作領(lǐng)域：動(dòng)畫制作；廣告攝影；電視電影；動(dòng)畫特效；

9、能源化工領(lǐng)域： 氣相流，粒子測(cè)速系統(tǒng)；化學(xué)結(jié)晶過程；噴流，噴霧流體分析，燃燒過程；火焰分析；微通道流；

10、其他專業(yè)領(lǐng)域：跌落試驗(yàn)；振動(dòng)分析；沖擊分析；焊接；繞線；切削；壓膜成型.印刷分析；瓶蓋測(cè)試；煙草機(jī)械；運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作分析或故障診斷，產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試、力學(xué)彈性分析，放電分析等

11、高速粒子成像測(cè)速； 瞬間物理現(xiàn)象； 高速碰撞研究； 顯微高速成像；汽車碰撞測(cè)試；材料測(cè)試；張力測(cè)試；顯微鏡學(xué)；氣囊膨脹實(shí)驗(yàn)；快速流體觀測(cè)；噴霧成像分析；流體力學(xué)；燃料注入；電閘放電；燃燒過程分析;半導(dǎo)體質(zhì)量控制;自然界和醫(yī)學(xué)上的快速成像研究;彈道學(xué)；超慢動(dòng)作電影剪切；高速生物學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)（肌肉收縮）；交通控制等等

應(yīng)用領(lǐng)域包含航天航空、大學(xué)研究所、船舶、體育、汽車工業(yè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線、各式產(chǎn)品檢測(cè)、礦業(yè)、陶瓷、制藥、涂料、造紙、水處理以及鉆探泥漿等領(lǐng)域。

1，大學(xué)研究所科研試驗(yàn),2，機(jī)誡運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作分析,3，機(jī)誡故障診斷,4，產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試,5，航天航空船舶汽車工業(yè),6，自動(dòng)化生產(chǎn)線,7，各式產(chǎn)品檢測(cè),8，能源化工領(lǐng)域,9，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng),10，體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域,11，軍事領(lǐng)域,12，影視制作領(lǐng)域；

速攝影 （彈道學(xué)、碰撞實(shí)驗(yàn)、高速粒子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) PIV 、材料學(xué)、氣囊膨脹實(shí)驗(yàn)、燃燒實(shí)驗(yàn)、電弧運(yùn)動(dòng)、離子束運(yùn)動(dòng)、流體力學(xué)、噴射實(shí)驗(yàn)、爆炸分析以及其他超高速運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域）

◆ 高分辨率成像 （彈道學(xué)、粒子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) PIV 、工業(yè)質(zhì)量檢測(cè)、噴射實(shí)驗(yàn)、電泳現(xiàn)象、火焰分析）

◆ 顯微成像 （微生物光學(xué)成像、分子細(xì)胞成像）

◆ 低照度成像 （燃燒實(shí)驗(yàn)、彈道學(xué)、碰撞實(shí)驗(yàn)、爆炸分析、天文學(xué)領(lǐng)域、微光成像、工業(yè)檢測(cè)監(jiān)視）

◆ 微光成像

◆ 光譜成像 （紅外感應(yīng)范圍應(yīng)用、光源波譜分析）

◆ 圖象分析軟件

◆ Zeta電位儀

◆ 粒度分析儀

1、高速LVDS數(shù)字工業(yè)相機(jī)具有分辨率高、圖像質(zhì)量好,分辨率可達(dá)1280 x 1024 、1600 x 1200、

2048×1536 、2592×1944數(shù)字面陣CMOS感光芯片；

2、LVDS數(shù)據(jù)輸出, 圖像穩(wěn)定，色彩還原性好，比USB2.0速度更快；

3、所有均經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試,體積小,安裝方便；

4、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口(CS及C口)；

5、允許外觸發(fā),曝光時(shí)間可控；

6、采用5V供電，功耗?。?

7、 2000 / XP、環(huán)境下的開發(fā)工具及演示程序，支持VC、VB、C Builder、Delphi SDK。

1. 高速實(shí)時(shí)無壓縮圖像記錄，實(shí)時(shí)顯示，設(shè)定速度回顯；

2. 系統(tǒng)采用直接將數(shù)據(jù)寫入硬盤的記錄方式，解決了傳統(tǒng)內(nèi)存記錄方式記錄時(shí)間短的問題，同時(shí)解決了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)傳輸速度受PCI總線帶寬限制的問題；

3. 保證100%不丟幀，解決了傳統(tǒng)內(nèi)存記錄方式易丟幀、缺乏斷電保護(hù)等問題；

4. 系統(tǒng)獨(dú)立工作，幾乎不占用計(jì)算機(jī)資源，可靠性高；

5. 一套系統(tǒng)中可支持多塊板卡和相機(jī)，同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤記錄；

6. 支持多種外部信號(hào)的疊加融合；

7. 支持多種圖像格式，有多種軟硬件外觸發(fā)功能；

8. 軟件接口簡(jiǎn)單，便于二次開發(fā)和實(shí)時(shí)處理。

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1 紅外瞬態(tài)多光譜成像技術(shù)研究2紅外高靈敏成像技術(shù)研究3精確快速測(cè)溫技術(shù)研究4多源多譜環(huán)境感知與目標(biāo)探測(cè)識(shí)別5 焊接增材成形質(zhì)量在線測(cè)評(píng)。

可以進(jìn)行三維流場(chǎng)三分量速度場(chǎng)的時(shí)間解析的測(cè)量，速度測(cè)量精度3%。