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相机是获取图像的前端采集设备，它主要以CCD或CMOS图像传感器为核心部件，外加同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等组合而成。它的作用是利用通过镜头聚焦于像平面的光线生成图像，而其采集图像质量的好坏直接影响后期图像处理的速度和效果，所以选取一个各项指标符合要求的相机至关重要。下面针对工业相机的各方面知识做简要讲解，希望读者能够好好体会。
在图像处理系统中主要采用的两类光电传感芯片分别为CCD芯片和CMOS芯片，CCD是Charge Coupled Device（电荷耦合器件）的缩写，CMOS是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor（互补金属氧化物半导体）的缩写。无论是CCD还是CMOS，它们的作用都是通过光电效应将光信号转换成电信号（电压/电流），以获得图像。
相机芯片的主要参数有像元尺寸、灵敏度、坏点数和光谱响应等。
像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14μm、10μm、9μm、7μm、6.45μm、3.75μm等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。
灵敏度是芯片的重要参数之一，它具有两种物理意义。一种指光器件的光电转换能力，与响应率的意义相同，即指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流），单位可以为纳安/勒克斯（nA/Lux）、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）；另一种是指器件所能传感的对地辐射功率（或照度），与探测率的意义相同，单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。
由于受到制造工艺的限制，对于有几百万像素点的传感器而言，所有的像元都是好的情况几乎不太可能实现，坏点数是指芯片中坏点（不能有效成像的像元或相应不一致性大于参数允许范围的像元）的数量，坏点数是衡量芯片质量的重要参数。
光谱响应是指芯片对于不同光波长光线的响应能力，通常由光谱响应曲线给出。
分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920×1080pixels，前面的数字表示图像的行数，即共有1920行，后面的数字表示图像的列数，即1080列。相机的分辨率对图像质量有很大的影响，在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。
相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧频表示，单位为fps（frame per second），如30fps，表示相机在1s内最多能采集30帧图像。线阵相机通常用行频表示，单位为kHz，如12kHz表示相机在1s内最多能采集12000行图像数据。速度是相机的重要参数，在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确地对物体成像。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。
图像传感器的尺寸是影响成像表现力的硬指标之一。图像传感器（CCD/CMOS）尺寸的表示方法沿用了光导摄像管的尺寸表示方法，例如“1/1.8”的CCD或CMOS，就表示其成像面积与一根直径为1/1.8英寸的光导摄像管的成像靶面面积近似。光导摄像管的直径与图像传感器成像靶面面积之间没有固定的换算公式，CCD/CMOS成像靶面的对角线长度大约相当于光导摄像管直径的2/3。
图像传感器成像靶面的几种典型尺寸如下所示：
1）1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm×高9.6mm，对角线长16mm。
2）2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm×高6.6mm，对角线长11mm。
3）1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm×高4.8mm，对角线长8mm。
4）1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm×高3.6mm，对角线长6mm。
5）1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm×高2.4mm，对角线长4mm。
相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。在欧洲相机测试标准EMVA1288中，定义相机中的噪声可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise），这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，这类噪声满足计算公式：噪声的平方=信号的均值；另一类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对于数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，图像质量越好。
相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定：一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定；另一种是电子动态范围，指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机，其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应曲线中，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值，动态范围可用倍数、dB或bit等方式来表示。动态范围越大，则代表相机对不同的光照强度有更强的适应能力。
数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机，这个值的方位通常是8～16bit。像元深度定义了灰度由暗到亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机，0代表全暗，而255代表全亮。介于0和255之间的数字代表一定的亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此也要慎重选择。
光谱响应是指相机对于不同波长光线的响应能力，通常指其所采用芯片的光谱响应。通常用光谱曲线表示，横轴表示不同波长，纵轴表示量子效率。按照响应光谱不同，也把相机分为可见光相机（400nm～1000nm，峰值在500nm～600nm之间）、红外相机（响应波长在700nm以上）、紫外相机（可以响应到200nm～400nm的短波），通常需要根据接收被测物不同的发光波长来选择不同的光谱响应的相机。
相机将采集到的图像信息通过相机接口传送到计算机中，从而才有了后续的图像处理。数字接口技术是目前相机接口的主流技术，目前最常用的几种数字相机接口有Camera Link接口、USB接口、GigE接口等。Camera Link接口是专门为图像处理的高端应用设计的，其基础是采用美国National Semiconductor公司驱动平板显示器的Channel Link技术，Camera Link接口的相机需要配Camera Link接口的图像采集卡才能工作，Camera Link接口相机如图2-15所示。Camera Link对接线、数据格式、触发、相机控制、高分辨率和帧频等作了考虑，使得信号的传输距离远，速度快，抗噪性好，对图像处理系统的应用提供了很多方便。
图2-15 Camera Link接口相机
通用串行总线（Universal Serial Bus, USB）用于规范计算机与外部设备的连接和通信，是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通信产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其他相关领域。USB 3.0接口相机如图2-16所示。
GigE（Gigabit Ethernet，千兆比以太网）接口是一种非常受欢迎的图像接口技术，以Gigabit Ethernet协议为标准，主要用做高速、大数据量、远距离的图像传输，可降低远距离传输时电缆线的成本。可通过一台控制单元对多台千兆网工业相机进行图像采集，目前千兆网工业相机已逐步代替其他接口成为主流。GigE接口相机如图2-17所示。
图2-16 USB 3.0接口相机
图2-17 GigE接口相机
USB接口和GigE接口很常用，采集卡已经被集成到计算机主板上，这两种接口的相机一般不需要额外配采集卡。
按照芯片的结构不同，可分为CCD相机和CMOS相机。采用CCD成像芯片的相机是CCD相机，采用CMOS芯片的是CMOS相机。CCD相机与CMOS相机主要差异在于将光转换为电信号的方式。对于CCD传感器，光照射到像元上，像元产生电荷，电荷通过少量的输出电极传输并转化为电流、缓冲、信号输出。对于CMOS传感器，每个像元可以自行完成电荷到电压的转换，同时产生数字信号。
从技术的角度比较，CCD与CMOS主要有如下四个方面的不同。
1）信息读取方式：CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂；CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。
2）速度：CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。
3）电源及耗电量：CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
4）成像质量：CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO 2 ）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势；由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法正常使用。
近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS图像传感器分辨率及噪声控制较弱的缺点也渐渐改善，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。在相机的选择中，不能绝对地说CCD相机更好还是CMOS相机更好，具体选择过程要根据应用的具体需求和所选择相机的参数指标决定。
根据相机传感器的两种主要架构：面扫描和线扫描，相应的相机分为面阵相机和线阵相机。面阵相机通常用在一幅图像采集期间相机与被成像目标之间没有相对运动的场合，如监控显示、直接对目标成像等，图像采集用一个事件触发（或条件的组合）。线扫描相机用于在一幅图像采集期间相机与被成像目标之间有相对运动的场合，通常是连续运动目标成像或需要对大视场高精度成像。线扫描相机主要应用于蜷曲表面或平滑表面、连续生产的产品进行成像，比如印刷品、纺织品、LCD面板、PCB、纸张、玻璃、钢板检测等。
黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像；彩色相机能获得景物中红、蓝、绿三个分量的光信号，输出彩色图像。实际上，无论是透过CCD还是CMOS图像传感器，形成图像皆为黑白。为了呈现彩色图像，可采用棱镜分光法和Bayer滤波法实现黑白图像到彩色图像的转化。棱镜分光彩色相机，利用光学透镜将入射光学的R、G、B分量分离，在三片传感器上分别将三种颜色的光信号转换成电信号，最后对输出的数字信号进行合成，得到彩色图像。Bayer滤波彩色相机，是在传感器像元表面按照Bayer马赛克规律增加RGB三色滤光片，输出信号时，像素RGB分量值是由其对应像元和其附近边缘共同获得的。由于棱镜分光法造价高昂，现大部分方式为在原始CMOS及CCD传感器前置入一块滤光片（拜尔滤光片）用于产生彩色图像，滤光片上的滤光点与传感器上的像素一一对应。因此，在相同分辨率下，黑白相机的准确度及精度要比彩色相机高许多。对于需要边缘检测及细节瑕疵检测的应用，黑白相机会是较佳的选择。
根据相机视频信号输出模式的不同分为模拟相机和数字相机。模拟相机输出模拟视频信号，可以通过相应的模拟显示器直接显示图像，也可以通过采集卡进行模拟转换后，形成数字视频信号的采集与储存；数字相机在相机内部完成模拟转换，直接输出数字视频信号。随着数字技术的不断发展，模拟相机逐步被数字相机所替代，模拟相机所占市场份额正越来越小。数字相机具有通用性好、控制简单、扩展性好，以及支持后续升级等优势。
相机分辨率的需求，被测物的工作距离、尺寸、视野范围、精度等。在分辨率选择时，要根据具体需求来定，并不一定是分辨率越高越好。分辨率高的图像数据量大，后期图像处理的耗时就多。而且分辨率高的相机采集速度会相对较慢，分辨率越高价格也会越昂贵。因此，要理性选择。
【选型示例】被测物体100mm×100mm，精度要求0.1mm，相机距被测物体在200mm～400mm之间，要求选择合适的相机和镜头。
分析如下：
如图2-18所示，被测物体是100mm×100mm的方形物体，而相机靶面通常为4:3的矩形，因此，为了将物体全部摄入靶面，应该以靶面的短边长度为参考来计算视场。系统精度要求为0.1mm，相机靶面的像素数要大于（100/0.1）×（100/0.1）=1000×1000。相机到物体的距离为200～400mm，考虑到镜头本身的尺寸，可以假定物体到镜头的距离为200～320mm，取中间值，则系统的物距为260mm。根据估算的像素数目，可选定相机靶面尺寸2/3英寸（8.8mm×6.6mm），若分辨率为1392×1040，则像元尺寸为6.45μm。镜头放大率为 β =6.6/100=0.066，可以达到的精度为：像素尺寸/放大率=0.00645/0.066=0.098mm，满足精度要求。镜头的焦距为 f =260/(1+1/0.066）=16.1mm，则镜头焦距可选择16mm。
图2-18 分析示意图
帧率为每秒能捕捉或采集的帧（张）数，为另一选型重点，工业相机因为要捕捉动态的受测物（无论是在生产线上或移动中物体），所以帧率会比民用型相机或网络相机（webcam）要高些。以帧率挑选相机时，需要挑选比受测物移动速度稍高一点的帧速率，但也无须超过太多。一般来说，分辨率越高，则帧速率越低。人眼的帧率大概是24fps，如果要进行视频监控的话，一般要大于这个帧率，看上去画面就是连续的，连贯性就比较好，小于这个帧率的，就会感觉卡顿。
一般来说，黑白相机的精度会比彩色相机高，噪声较低，假如受测物不须检验颜色差别，黑白相机会是较佳的选择，特别物体表面检测，由黑白相机拍摄的图像准确度以及细节呈现上通常会比彩色相机高许多。
图像传感器主要分为CCD和CMOS两种。CCD和CMOS图像传感器感光原理类似，它们的主要差异在数位讯号传送方式的不同。因为结构和工作原理的差异，使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。近两年CMOS图像传感器的技术也渐渐改善分辨率及噪声控制较弱的缺点，可作为选型之初的优先选择。
当前工业相机最主要可分为USB相机、GigE相机以及Camera Link三种。Camera Link相机规格较高，但价格也相对高出许多。大多检测用相机目前仍以USB及GigE为主要推荐，GigE相机能提供长距离的传输距离，而USB相机则可随插即用、性价比高，传输快速。以正常规格来看，有效传输距离USB相机达3m, GigE相机则可达100m。如何挑选接口端，要看使用者的需求。