2. 图像采集与相机选型

在机器视觉项目中，相机选型是决定系统精度上限的第一道关口。镜头再好、算法再强，如果相机本身的分辨率、帧率或接口带宽不匹配，后续所有环节都会受限。本节围绕面阵/线阵相机的差异、分辨率与帧率的计算逻辑、接口与靶面的匹配关系、快门方式的选择，以及一套可复用的选型计算流程展开。

一、面阵相机与线阵相机：先判断被测物是"块"还是"带"

面阵相机的传感器是二维像素阵列，一次曝光得到一幅完整二维图像，适合检测对象尺寸有限、可静止或可短时曝光的场景，例如零件外观检测、PCB 元件定位、二维码读取。线阵相机只有一行（或几行）像素，通过被测物与相机之间的相对运动逐行扫描，拼接成完整图像，适合连续运动的卷材、布匹、纸张、金属带材，以及需要极高横向分辨率的场合。

判断依据很直接：如果被测物是"一块一块"的，优先面阵；如果是"一卷一卷"或连续传送的，优先线阵。线阵相机的优势在于横向分辨率可以做得极高（例如 2K、4K、8K、16K 像素），且没有面阵相机在高速运动下的运动模糊问题；代价是需要精确的编码器同步和运动速度匹配，系统复杂度更高。

二、分辨率计算：从精度要求反推像素数

分辨率选型的核心是"精度要求 → 所需像素数"。工程上常用一个经验系数：检测精度通常取 3～5 个像素对应一个最小缺陷或最小特征。也就是说，如果要求检测 0.1 mm 的缺陷，那么每个像素对应的物理尺寸应约为 0.1/3 ≈ 0.033 mm 到 0.1/5 = 0.02 mm。

以面阵相机为例，假设视野（FOV）为 100 mm × 80 mm，要求检测 0.1 mm 的缺陷，取 4 像素/缺陷：

单像素物理尺寸 = 0.1 mm / 4 = 0.025 mm
横向所需像素 = 100 mm / 0.025 mm = 4000 px
纵向所需像素 = 80 mm / 0.025 mm = 3200 px
→ 选择 500 万像素（约 2592×1944）不够，应选 1200 万像素（约 4000×3000）或更高

线阵相机的计算类似，但只算横向：若幅宽 500 mm，要求 0.1 mm 精度、4 像素/缺陷，则单像素 0.025 mm，所需像素 = 500/0.025 = 20000 px，应选 16K 或 2×8K 线阵相机。纵向分辨率由运动速度和行频共同决定。

三、帧率与行频：匹配生产节拍

面阵相机的帧率必须满足：单件检测时间 ≤ 生产节拍。若节拍为 0.5 s/件，且需要 3 次曝光（多角度或多工位），则相机帧率至少 6 fps；若还要留出传输和处理时间，实际应选 15～30 fps 以上。

线阵相机的行频计算更关键。设运动速度 v = 200 mm/s，纵向精度要求 0.1 mm（即每行对应 0.1 mm），则所需行频：

行频 = v / 纵向单像素尺寸 = 200 mm/s / 0.1 mm = 2000 行/s = 2 kHz

若相机最高行频为 10 kHz，则余量充足；若只有 1 kHz，则无法满足，需要降低速度或提高纵向像素精度。注意：行频与曝光时间相互制约，曝光时间必须小于行周期，否则会出现拖影。

四、接口与带宽：别让传输成为瓶颈

常见接口有 USB3.0、GigE、Camera Link、CoaXPress 等。带宽估算公式：

带宽 = 分辨率 × 帧率 × 位深 / 8

例如 500 万像素（2592×1944）、30 fps、8 bit：

带宽 = 2592 × 1944 × 30 × 8 / 8 ≈ 151 MB/s

USB3.0 理论 5 Gbps（约 500 MB/s），实际可用约 350 MB/s，够用；GigE 仅 1 Gbps（约 125 MB/s），不够，需选 GigE Vision 或 10GigE。若为 1200 万像素、30 fps、10 bit，则带宽约 450 MB/s，USB3.0 已接近上限，建议选 CoaXPress 或 Camera Link。

五、靶面与镜头匹配：避免暗角

靶面尺寸必须与镜头像面尺寸匹配。常见靶面有 1/2.9"、1/1.8"、2/3"、1"、4/3" 等。若相机靶面为 1"，镜头为 2/3"，则画面四角会出现暗角或成像圈不足。选型时先确认相机靶面，再选支持该靶面的镜头。同时，靶面尺寸影响视场角：在相同焦距下，靶面越大，视场越大。

六、快门方式：全局快门与卷帘快门

全局快门（Global Shutter）所有像素同时曝光，适合运动物体拍摄，不会产生果冻效应；卷帘快门（Rolling Shutter）逐行曝光，成本低，但高速运动时会产生倾斜或变形。机器视觉中，只要被测物有相对运动，优先选全局快门。线阵相机本身是逐行扫描，但每行曝光是同步的，不属于卷帘问题。

七、典型选型计算示例

假设场景：检测传送带上 300 mm × 200 mm 的零件，缺陷最小 0.2 mm，节拍 0.8 s/件，运动速度 150 mm/s，要求 4 像素/缺陷。

1. 单像素尺寸 = 0.2 / 4 = 0.05 mm
2. 横向像素 = 300 / 0.05 = 6000 px
3. 纵向像素 = 200 / 0.05 = 4000 px
4. 总像素 ≈ 2400 万 → 选 2500 万像素面阵相机（约 5120×5120）
5. 帧率：0.8 s 内完成 1 次拍摄，留 3 倍余量 → 选 10 fps 以上
6. 带宽：5120×5120×10×8/8 ≈ 262 MB/s → USB3.0 或 CoaXPress
7. 靶面：选 1.1" 或 4/3"，镜头匹配
8. 快门：全局快门
9. 若改用线阵：横向 6000 px → 8K 线阵；行频 = 150/0.05 = 3000 行/s = 3 kHz

这套流程可以固化为一张选型检查表，便于在项目中逐项核对。

项目	输入/要求	计算或判断	结论示例
被测物形态	块状/连续	块状选面阵，连续选线阵	面阵
最小缺陷	0.2 mm	单像素 = 0.2/4 = 0.05 mm	0.05 mm/px
视野 FOV	300×200 mm	300/0.05=6000，200/0.05=4000	≥2400 万像素
节拍	0.8 s/件	帧率 ≥ 1/0.8×3 ≈ 4 fps	≥10 fps
带宽	5120×5120×10 bit×10 fps	≈262 MB/s	USB3.0/CoaXPress
靶面	1.1"	镜头需支持 1.1"	匹配 1.1" 镜头
快门	运动物体	全局快门	全局快门

实际项目中，还要考虑光源、镜头畸变、安装空间、成本等因素。但上述计算是选型的骨架：先由精度定分辨率，再由节拍定帧率/行频，再由数据量定接口，最后由靶面定镜头，由运动状态定快门。把这五步走通，相机选型就不会出现方向性错误。