工业相机，机器视觉的心脏
工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。相比于市面上普通相机来说，具有更高的传输力、抗干扰力以及稳定的成像能力。它由两大基本部件组成：图像感光芯片和数字化的数据接口。
工业相机，机器视觉的心脏
图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成，像素把光线的强度转换为电压输出。这些像素的电压被以灰度值的形式输出，所有像素放在一起就形成了图像，传送给计算机。工业相机数据接口主要有USB2.0\USB3.0、1394和千兆以太网这几种。相比于普通相机而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点，随着科技的日渐成熟，工业相机得到了飞速发展，成为机器视觉领域的不可缺少的组件。
工业相机，机器视觉的心脏
工业相机根据不同的标准可以有多种分类，例如按照输出信号的方式，可以分为模拟相机、数字相机；根据芯片类型的不同可以分为CCD相机与CMOS相机两种，这种分类方式也是我们为常见的。这里面，CCD全称电荷耦合元件，CMOS全称互补金属氧化物半导体，两者都是图像传感器，都是工业相机的精髓。
工业相机，机器视觉的心脏
选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。选择工业相机时应注意:
1、根据应用的不同来决定是需要选用CCD 还是CMOS， CCD 工业相机主要应用在运动物体的图像提取，CMOS 工业相机一般应该在静止物体的拍图。
2、分辨率的选择，首先考虑待待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA 输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的。
3、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。
4、相机帧数选择，当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。
工业相机，机器视觉的心脏
随着国内自动化产业的迅猛发展，也为机器视觉带来了更为广阔的市场空间，而机器视觉系统的核心部件——工业相机也同样得到了巨大的发展。
工业相机，机器视觉的心脏
中国已经成为全球制造业的加工中心，高要求的零部件加工及其相应的先进生产线，使许多具有国际先进水平的机器视觉系统和应用经验也进入了中国。目前，工业相机的应用不管从技术上，还是在市场上，都得到了一定的进步。涉及到的领域众多，涵盖了工业、农业、医药、军事等国民经济的各个行业。
工业相机，机器视觉的心脏
在国内，目前机器视觉的主要应用大部分还是聚集在大规模的自动化生产领域，而一般情况下，这些领域对于成本是非常敏感的，资金投入方面还存在一定的局限性。现在的工业相机市场，从国外购进，价格只增不减；国内自行生产，因为技术的不断升级，成本不断增加，价格也出现了相应的升高。
因此，在未来的发展过程中，国内机器视觉市场需要的是低成本的工业相机。在赶超国际先进水平这段过程中，高性价比的工业相机是更适合中国机器视觉市场的。

3. 黑白相机与彩色相机
无论是CCD还是CMOS图像传感器，其原理都是将光子转换为电子，其中光子数目与电子数目成比例。对每个像素，统计其电子数目就形成反映光线强弱的灰度图像，也就是说CCD和CMOS图像传感器是“色盲”，不具备辨色的能力，只能形成黑白图像，如图3（左）。
一文了解“工业相机”
左：黑白模式；中：三棱镜模式；右：拜尔滤波片模式
图3 不同色彩模式的工业相机
为了获得彩像，通常使用三棱镜或滤光片的方法采集颜色信息。三棱镜模式：采用三棱镜将射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光，如图3（中）。然后再将这三张图像合成一张高分辨率、色彩精确的图像。由于该方法需要三块感光芯片，造价比较昂贵。
如果考虑到价格因素，柯达的拜尔（Bayer）提出了一种廉价的折中方案：只用一块图像传感器，就解决了颜色的识别。他的做法是在图像传感器前面，设置一个滤光片，上面布满了滤光点，与下层的像素一一对应。如图3（右），Bayer滤光片上的滤光点的排列是有规律的：每个绿点的四周，分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点。由于人眼对绿色为敏感，所以绿色是红、蓝的两倍。由于每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色，但是在输出时，所有像素都应该有这三种颜色的信息，被滤除的两种颜色分量值在后期的算法处理中通过插值法来补回。
Bayer滤光片的方法显著优点在于它能节省成本，当前绝大多数彩色相机都采用此项技术。不过，黑白相机采集的是所有波长的光子，而Bayer彩色相机仅接受RGB三个波段的光子，并且会做一个去马赛克的邻域平均操作，因此无论是光通量还是细节表现均弱于灰度相机，如图4，对比了彩色相机与黑白相机在相同环境下的成像。所以，如果不需要颜色作为检验需求时，工业相机一般选择黑白相机，因为在拥有相同的分辨率前提下，黑白相机精度更高。

欧美国家在高端领域市场占有率高
从竞争格局来看，2018年全球工业相机行业竞争格局与机器视觉行业的竞争格局极为相似，全球工业相机生产主要还是以欧美为主，其中北美占据市场份额的62.0%，欧洲占据市场份额的15%，日本占据市场份额的10%，而其他地方仅占市场份额的13%。
中国工业相机行业发展现状与趋势分析
从全球市场来看，工业智能相机市场的集中度远高于板卡式相机市场，率先布局智能相机的康耐视和基恩士目前市场占比总计已超过70%，而板卡式相机前八大企业的市场份额之和仅为61%。智能相机的一大优势就在于易用性，而易用性主要通过软件的使用来反映，许多国外知名企业有视觉软件的开发经验，通常会配套相应的定制软件方便系统开发人员编程智能相机，如康耐视的In-Sight系列智能相机的配套软件EasyBuilder就允许开发者从菜单中选择一系列功能，来实现模式图像匹配和OCR等任务。国外产品软硬件优势明显，但产品价格相对较高，对中国市场的应用针对性开发还不足，国内企业如维视图像、朗锐智科、凌华科技等也推出智能相机系列产品从中低端市场切入。

2. CCD相机和CMOS相机
图像传感器是工业相机的核心感光元件，当前图像传感器主要分为电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductors，CMOS）两种。
CCD和CMOS图像传感器感光原理类似，基本上都是利用感光二极管（photodiode）进行光与电的转换，将图像转换为数字信息，它们的主要差异在数字信号传送方式的不同。如图2所示，CCD图像传感器每一行中每一个像素（pixel）电荷信号都会依序传送到下一个像素中，由底端的部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS图像传感器中，每个像素都会连接一个放大器及模数转换电路，用类似内存电路的方式将信号输出。正是因为结构和工作原理的差异，导致CCD和CMOS图像传感器具有不同的特性。CCD图像传感器在灵敏度、分辨率，以及噪声控制等方面均优于CMOS图像传感器，CMOS图像传感器则具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。

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