4. 工业相机基础

做嵌入式视觉这几年，我经手过的工业相机少说也有几十款。从几十块钱的USB摄像头到几万块的线阵相机，都摸过一遍。今天咱们就聊聊工业相机最基础的东西——分类、传感器类型和那几个绕不开的关键参数。

说实话，很多刚入行的朋友容易在这上面栽跟头。选错相机类型，后面整个项目都得推倒重来。我见过不止一次。

一、面阵相机 vs 线阵相机

工业相机按成像方式，主要分两大类：面阵相机和线阵相机。这俩的区别，说白了就是“拍照”和“扫描”的区别。

面阵相机是我们最常用的。像工业检测中的定位、测量、OCR识别，基本都是面阵相机搞定。它的优点是安装简单，触发方便，一张图搞定所有。

线阵相机就不一样了。它每次只拍一行像素，物体必须匀速运动，靠编码器触发逐行采集，最后拼成一整张图。我做过一个锂电池极片检测项目，极片宽度600mm，要求检测精度5μm。面阵相机根本做不到，最后上了16K线阵相机，配合高精度编码器才搞定。

二、传感器类型：CCD vs CMOS

传感器是相机的“心脏”。CCD和CMOS之争，十年前还有悬念，现在基本尘埃落定了。

简单说下区别：

• CCD：电荷耦合器件。每个像素的电荷逐行转移到输出端，统一放大。优点是噪声低、动态范围高、全局快门天生支持。缺点是功耗大、帧率上不去、成本高。
• CMOS：互补金属氧化物半导体。每个像素自带放大器，可以随机读取。优点是功耗低、帧率高、集成度高。缺点是早期卷帘快门有果冻效应，噪声也大一些。

但现在呢？CMOS技术进步太快了。全局快门CMOS已经普及，噪声控制也追上了CCD。我最近三年经手的项目，清一色全是CMOS相机。CCD基本只出现在一些特殊应用里，比如极低照度、超高动态范围场景。

三、关键参数：分辨率、帧率、靶面尺寸

这三个参数，是选型时必须算清楚的。我见过太多人只看分辨率，忽略了帧率和靶面，结果项目翻车。

3.1 分辨率

分辨率就是图像有多少个像素点。比如500万像素，就是2592×1944。分辨率越高，能看到的细节越多。

但注意：分辨率不是越高越好。分辨率高了，数据量就大，处理速度就慢，存储成本也高。选分辨率的原则是——够用就行。

怎么算够用？举个例子：你要检测一个10mm×10mm的零件，要求检测精度0.05mm。那至少需要多少个像素？

视野宽度 = 10mm
检测精度 = 0.05mm
所需像素 = 10 / 0.05 = 200像素

考虑边缘余量和亚像素算法，实际选型建议：
分辨率 = 视野 / (检测精度 × 0.7)
       = 10 / (0.05 × 0.7)
       ≈ 285像素

所以选个640×480的相机就绰绰有余了。

别一上来就上500万像素，那是浪费钱。

3.2 帧率

帧率就是每秒能拍多少张。单位是fps（frames per second）。

帧率取决于两个因素：传感器本身的读出速度和接口带宽。

• USB 3.0：理论带宽5Gbps，实际能跑3.5Gbps左右
• GigE：理论带宽1Gbps，实际约900Mbps
• Camera Link：带宽高，但需要专用采集卡

我做过一个项目，客户要求检测速度每分钟120个零件。算一下：

每分钟120个 → 每秒2个
考虑触发抖动和图像处理时间，至少需要5fps
再留50%余量 → 选10fps以上的相机

看起来不难对吧？但如果你选了500万像素的相机，USB 3.0接口，帧率可能只有15fps。如果换成200万像素，帧率能到60fps。这就是分辨率与帧率的权衡。

3.3 靶面尺寸

靶面尺寸就是传感器感光区域的对角线长度。常见的有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸等。

靶面尺寸直接影响两个东西：视场角和像元大小。

• 靶面越大：同样焦距的镜头，视场角越大，看到的范围越广
• 靶面越小：像元尺寸越小，单位面积像素越多，但信噪比会下降

选镜头时有个铁律：镜头的靶面必须大于等于相机的靶面。否则图像边缘会有暗角，甚至完全黑掉。

举个例子：你买了个1/2英寸的相机，配了个1/3英寸的镜头。结果拍出来的图像四周是黑的。这就是典型的选型错误。

四、知识体系总览

下面这张图，把工业相机的基础知识串起来了。你可以把它当作选型时的检查清单。

五、选型实战建议

说了这么多，最后给几条实在的建议：

1. 先算再选：别凭感觉选相机。把检测精度、视野、产线节拍算清楚，再定参数。
2. 留余量：分辨率留30%余量，帧率留50%余量。现场环境比实验室复杂得多。
3. 接口要匹配：USB 3.0适合短距离、高带宽；GigE适合长距离、多相机组网。别搞混了。
4. 镜头别省钱：相机买再好，配个垃圾镜头，图像质量一样拉胯。镜头和相机预算至少1:1。