3. 工业相机与传感器选型

在 VisionPro 项目中，相机选型不是“挑一台像素最高的”，而是把被测物尺寸、最小缺陷、视野、工作距离、运动速度、接口带宽这些工程条件，换算成一组可验证的相机参数。选型一旦偏差，后续照明、镜头、算法再优化也难以弥补。本节围绕面阵与线阵、CCD 与 CMOS、分辨率与像元尺寸、帧率与接口、以及它们与检测精度的匹配关系展开。

一、先明确“检测精度”到底指什么

工业现场常把“精度”混用为三个不同概念，选型时必须区分：

• 像素分辨率：单个像素在物方对应的实际尺寸，单位 mm/pixel，由视野和像素数决定。
• 测量精度：系统能稳定分辨的最小尺寸变化，通常取像素分辨率的 1/2～1/10，取决于边缘算法、照明对比度和镜头质量。
• 重复性：同一工件多次测量的离散程度，是产线最关心的指标。

经验上，若要求稳定检出 0.05 mm 的缺陷，像素分辨率应做到 0.01～0.025 mm/pixel，即“缺陷尺寸至少覆盖 2～5 个像素”。这是后续所有计算的起点。

二、面阵与线阵：按被测物形态和运动方式选择

面阵相机一次曝光获得二维图像，适合静止或间歇定位的工件，如装配确认、字符识别、外观抽检。其优势是结构简单、标定方便、可配合多种照明；局限是幅面越大，边缘畸变和照明均匀性越难控制。

线阵相机每次只采集一行像素，依靠工件与相机相对运动拼接成二维图像。它适合连续运动的卷材、板材、圆柱面，如薄膜、纸张、金属带、瓶身标签。线阵的核心参数是行频（lines/s）和单行像素数，必须与运动速度严格匹配，否则图像会被拉伸或压缩。

线阵选型的关键公式：

行频 ≥ 运动速度 / 物方每行对应尺寸
例：速度 500 mm/s，要求纵向像素分辨率 0.1 mm/pixel
行频 ≥ 500 / 0.1 = 5000 lines/s

若相机行频不足，纵向分辨率下降，圆孔会被拉成椭圆，尺寸测量直接失效。

三、CCD 与 CMOS：今天该怎么选

CCD 曾以低噪声、高一致性著称，但功耗高、读出慢、成本高，目前在新项目中已基本被 CMOS 取代。现代工业 CMOS 具备全局快门、低读出噪声、高帧率和片上处理能力，在 VisionPro 常用的 GigE、USB3 Vision、Camera Link 相机中占绝对主流。

选型时真正需要关注的是快门类型而非 CCD/CMOS 标签：

• 全局快门：所有像素同时曝光，运动工件不产生果冻畸变，是尺寸测量和运动抓拍的首选。
• 卷帘快门：逐行曝光，成本低，适合静止场景，运动物体慎用。

四、分辨率、像元尺寸与镜头的联合计算

分辨率不能孤立选择，它与像元尺寸、镜头焦距、工作距离共同决定物方像素分辨率。基本关系为：

物方像素分辨率 = 像元尺寸 × 工作距离 / 镜头焦距
视野 = 物方像素分辨率 × 像素数

示例：像元 3.45 μm，工作距离 300 mm，镜头焦距 25 mm，则物方像素分辨率约为 3.45×300/25 = 41.4 μm/pixel ≈ 0.041 mm/pixel。若相机为 500 万像素（2448×2048），视野约为 101 mm × 85 mm。若被测物宽 120 mm，则视野不足，需要换更短焦距或更高像素。

反过来，若已知视野 100 mm、要求 0.02 mm/pixel，则所需像素数至少 100/0.02 = 5000 pixel，应选 5000 像素以上的相机。像元尺寸越大，单像素感光能力越强、动态范围越好，但同样像素数下芯片更大、镜头像圈要求更高；像元越小，分辨率越高，但对镜头解析力和照明亮度要求更苛刻。

五、帧率、行频与接口带宽的匹配

帧率必须满足产线节拍。若单件检测时间预算为 80 ms，则相机帧率至少 12.5 fps，且要留出曝光、传输、算法处理余量，实际常选 20～30 fps。线阵则用行频约束，前文已给出公式。

接口决定能否把数据实时传回。以 500 万像素、8 bit 灰度为例，单帧约 5 MB；30 fps 时数据率约 150 MB/s，即 1.2 Gbps。GigE Vision 理论 1 Gbps，实际有效约 100 MB/s，会成为瓶颈；此时应选 USB3 Vision（5 Gbps）或 Camera Link、CoaXPress。选型时务必用“像素数 × 帧率 × 位深”估算带宽，而不是只看相机标称帧率。

六、把参数落到检测精度上

最终判断标准是：物方像素分辨率 ≤ 最小缺陷尺寸 ÷ 3，并留出算法和照明的余量。例如缺陷 0.1 mm，则物方像素分辨率应 ≤ 0.033 mm/pixel。再结合视野反推像素数，结合工作距离和像元反推焦距，结合速度反推帧率或行频，结合数据率反推接口。四步闭环后，相机型号才真正确定。

完成本节换算后，建议把结果整理成一张选型参数表，记录视野、物方像素分辨率、像素数、像元、焦距、帧率/行频、接口和预期精度，作为后续镜头、照明和 VisionPro 工具配置的输入依据。