3. 相机触发与曝光同步原理
在多相机视觉系统中，同步问题往往不是“能不能触发”，而是“多台相机是否在同一时刻曝光”。KEYENCE CV-X 系列控制器支持多相机接入，但若触发方式、快门类型和曝光时序没有对齐，即使每台相机都能独立成像，也会在运动工件上产生明显的空间错位。本节从触发方式差异入手，逐步展开到曝光时序对齐与抖动来源分析。
硬件触发与软件触发的本质差异
软件触发由控制器内部程序或上位机指令发起，相机接收到命令后才开始曝光。它的优点是接线简单、参数可在线修改，但触发时刻受程序扫描周期、通信延迟和操作系统调度影响，通常存在毫秒级甚至更大的不确定性。硬件触发则通过光电传感器、编码器或 PLC 输出直接接入相机的触发输入端子，信号到达相机后立即启动曝光，延迟可压缩到微秒级，且重复性好。
在 CV-X 系统中，若多台相机需要严格同步，推荐使用同一触发源并联到各相机的触发输入，而不是由控制器依次发送软件触发。硬件触发并联时，各相机看到的是同一个上升沿，差异主要来自线缆长度和输入电路阈值，通常可控制在几十纳秒以内。软件触发则适合单相机、低速或非运动场景，例如静态工件的外观检测。
选择原则：运动工件、多相机空间对齐、高速节拍 → 硬件触发；静态工件、单相机、调试阶段 → 软件触发。若必须用软件触发多相机，应确认控制器是否支持同步输出端子，将软件命令转换为硬件脉冲后再分配。
全局快门与卷帘快门的曝光行为
全局快门（Global Shutter）让所有像素在同一时刻开始并结束曝光，整幅图像对应一个统一的时间窗口。卷帘快门（Rolling Shutter）则逐行曝光，第一行与最后一行之间存在行间隔累积的时间差。对于静止工件，两者差异不明显；但对于运动工件，卷帘快门会产生“果冻效应”或倾斜，且多相机之间若行序不同步，错位会进一步放大。
CV-X 常用工业相机多为全局快门，但在选型时仍需确认。若系统中混用全局快门与卷帘快门相机，即使触发信号完全同步，卷帘快门相机的不同行仍处于不同曝光时刻，无法与全局快门相机实现整幅图像级对齐。此时应统一快门类型，或把卷帘快门相机用于非同步工位。
曝光时序对齐的关键参数
曝光时序对齐的核心是让多台相机的“曝光窗口”在时间轴上重合。需要关注的参数包括：触发延迟（Trigger Delay）、曝光时间（Exposure Time）、闪光延迟（Flash Delay）和读出时间（Readout Time）。触发延迟是相机从收到触发信号到实际开始曝光之间的固定或可设延时；曝光时间是快门打开到关闭的持续时间；闪光延迟用于控制光源在曝光窗口内点亮；读出时间则是曝光结束后传输图像所需的时间，它不参与曝光，但决定下一帧最早何时可以开始。
假设两台 CV-X 相机均使用全局快门，曝光时间设为 500 μs，触发延迟分别为 20 μs 和 35 μs。若同时收到触发上升沿，则相机 A 的曝光窗口为 t+20 μs 至 t+520 μs，相机 B 为 t+35 μs 至 t+535 μs，重叠部分为 t+35 μs 至 t+520 μs，共 485 μs。只要工件在重叠窗口内的位移小于允许误差，即可认为同步满足要求。若触发延迟差异过大，重叠窗口缩小甚至消失，就会出现一台相机已曝光、另一台尚未开始的情况。
触发延迟与抖动的来源
触发延迟并非单一固定值，它由多个环节叠加而成：传感器响应时间、信号线传输时间、光耦隔离输入延迟、相机内部触发处理时间。抖动（Jitter）则是这些延迟的随机波动，通常用峰峰值或标准差衡量。常见抖动来源包括：
- 传感器与信号链：光电传感器的响应时间随亮度和阈值变化，长线缆引入的噪声可能造成阈值附近多次翻转。
- 触发信号质量：上升沿过缓、振铃或地弹会使相机输入电路在不同周期识别到不同的触发时刻。
- 相机内部处理：部分相机在触发后需要完成当前行读出或内部状态切换，导致延迟随帧相位变化。
- 控制器扫描周期：若触发由 PLC 或 CV-X 程序输出，扫描周期和输出刷新时刻会引入周期性抖动。
- 光源同步：闪光延迟若未与曝光窗口对齐，会造成亮度波动，间接影响图像一致性。
降低抖动的工程手段包括：使用差分或推挽输出的传感器、缩短触发线缆并远离动力线、在相机端设置合适的触发滤波、将触发源统一为硬件编码器或专用同步输出模块。对于 CV-X 多相机系统，若控制器提供同步触发输出端子，应优先使用该端子并联到各相机，而不是让每台相机独立接收 PLC 的不同输出点。
实操中的对齐检查方法
完成接线和参数设置后，可用以下方式验证曝光同步是否达标。第一，用示波器同时测量各相机的闪光输出（Flash Output）或触发通过信号，观察上升沿之间的时间差和抖动。第二，在运动工件上放置已知间距的标记，多相机同时拍摄后比较标记在各自图像中的位置，若错位量对应的位移时间小于允许值，则同步合格。第三，逐步缩短曝光时间，观察图像亮度是否一致；若某台相机明显偏暗，可能是曝光窗口未完全落入闪光窗口。
示例判断：传送带速度 200 mm/s，允许空间误差 0.1 mm，则允许时间误差为 0.1/200 = 0.5 ms。若实测触发抖动峰峰值为 80 μs，曝光窗口重叠 485 μs，则同步余量充足；若抖动达到 600 μs，则需先解决触发信号质量问题，再谈曝光对齐。
触发与曝光同步不是一次配置就能永久稳定的工作。温度变化、线缆老化、传感器污染和程序修改都可能改变延迟与抖动。建议在系统验收时记录各相机的触发延迟、曝光窗口和抖动数据，作为后续维护的基线。当出现多相机图像错位时，按“触发源是否统一 → 信号质量是否合格 → 曝光窗口是否重叠 → 快门类型是否一致”的顺序排查，通常能快速定位问题环节。