第3章 数据采集基础：工业相机选型、光源与打光方案、成像系统搭建要点
数据采集是缺陷检测的起点。说白了，你后面标注得再仔细、模型训练得再好，源头图像质量不行，一切都是白搭。我见过太多项目，前期在相机和光源上省了几千块，后期在算法调参上多花了几个月——这笔账，怎么算都不划算。
这一章，我就把工业相机选型、光源打光、成像系统搭建这三块的核心逻辑拆开讲。都是实战里反复踩过的坑，你拿过去就能用。
3.1 工业相机选型：先定传感器，再定接口
选相机，我个人的习惯是三步走：先定传感器类型，再定分辨率与帧率，最后看接口和传输方式。
3.1.1 传感器类型：CCD vs. CMOS
现在工业领域，CMOS 已经是主流了。但有些场景，比如极低照度或高动态范围，CCD 仍有优势。我列个对比表，你一看就明白：
| 参数 | CCD | CMOS |
|---|---|---|
| 噪声水平 | 低 | 中（近年进步很大） |
| 动态范围 | 高（约 70-75 dB） | 中（约 60-65 dB） |
| 帧率 | 中低 | 高（全局快门可达 1000+ fps） |
| 功耗 | 高 | 低 |
| 成本 | 高 | 低 |
| 典型场景 | 半导体晶圆、医疗影像 | 电子组装、汽车零部件、包装 |
3.1.2 分辨率与帧率：别盲目追求高像素
分辨率不是越高越好。你想想看，500 万像素的相机拍一张图，数据量是 200 万像素的 2.5 倍。如果你的产线节拍是每秒检测 10 个产品，那数据吞吐量直接翻倍，处理时间也翻倍。
我一般这样算：
- 最小缺陷尺寸：比如你要检测 0.1mm 的划痕，那每个像素对应的物理尺寸（即像素当量）至少要是 0.05mm（根据奈奎斯特采样定理，采样频率要大于缺陷频率的 2 倍）。
- 视场大小：假设视场是 50mm × 50mm，那需要的像素数就是 (50 / 0.05) × (50 / 0.05) = 1000 × 1000 = 100 万像素。留点余量，选 200 万像素就够。
- 帧率：产线速度 × 每帧需要的图像数。比如产线速度是 2m/s，每 10mm 拍一张，那帧率就是 200fps。这时候就得选高速相机了。
3.1.3 接口与传输：GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPress
接口选型，主要看距离和带宽：
- GigE（千兆以太网）：传输距离 100 米，带宽 1 Gbps。适合分布式部署，但帧率受限。我一般用在 500 万像素以下、帧率 30fps 以内的场景。
- USB3.0：传输距离 5 米（加中继器可到 10 米），带宽 5 Gbps。性价比高，适合桌面级或短距离检测。注意线缆质量，劣质 USB 线容易丢包。
- Camera Link：传输距离 10 米，带宽可达 6.8 Gbps（双通道）。老牌高速接口，但需要专用采集卡，成本高。
- CoaXPress：传输距离 100 米，单根同轴线带宽 12.5 Gbps。新一代高速接口，适合超高速检测（比如 1000fps 以上的场景）。
3.2 光源与打光方案：80% 的图像质量靠它
这句话我每次培训都会说：光源选好了，算法的工作量能减少一半。反过来，光源没选好，你后面用深度学习硬扛，效果也未必好。
3.2.1 光源类型与选型原则
工业光源主要有这几种：
| 光源类型 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 环形光源 | 360° 均匀照明，可调角度 | PCB 焊点检测、字符识别 |
| 条形光源 | 方向性强，可组合 | 划痕检测、边缘定位 |
| 同轴光源 | 光线垂直照射，消除阴影 | 镜面表面、玻璃、晶圆 |
| 背光源 | 从背面打光，突出轮廓 | 尺寸测量、透明物体检测 |
| 点光源 | 高亮度小光斑 | 光纤端面、微小缺陷 |
| 线光源 | 配合线扫相机使用 | 卷材、印刷品连续检测 |
选型原则其实就三条：
- 突出缺陷特征：缺陷和背景的对比度要最大化。比如检测金属表面的划痕，用低角度条形光源让划痕产生高亮反光。
- 抑制背景干扰：不要让背景纹理或反光干扰检测。比如检测透明玻璃上的脏污，用背光源让脏污呈现暗色。
- 保证均匀性：视场内的光照不均匀度最好控制在 10% 以内。不均匀的光会导致同一缺陷在不同位置呈现不同亮度，增加算法难度。
3.2.2 打光方案：角度、颜色、偏振
打光方案是经验活。我分享几个常用的套路：
- 明场照明：光源和相机同侧，光线直接反射进入相机。适合表面平整、反光性好的物体。比如检测印刷字符的缺失。
- 暗场照明：光源和相机异侧，或低角度打光，只有散射光进入相机。适合检测凹凸、划痕、纹理。比如金属表面的细微划痕，在暗场下会呈现亮线。
- 背光照明：光源在物体背面，相机拍轮廓。适合尺寸测量、透明物体检测。比如检测药片的缺角。
- 偏振光照明：在光源和镜头前加偏振片，消除反光。适合检测镜面、塑料、玻璃等易反光表面。比如检测手机屏幕的划痕。
3.3 成像系统搭建要点：从理论到落地
相机和光源选好了，怎么搭起来？这里有几个关键点，我踩过的坑都列出来：
3.3.1 镜头选型：焦距、光圈、景深
镜头选型公式很简单：
焦距 f = 工作距离 WD × 传感器尺寸 / 视场大小 FOV举个例子：传感器是 1/1.8 英寸（对角线 9mm），视场需要 100mm，工作距离 300mm。那焦距就是 300 × 9 / 100 = 27mm。选个 25mm 或 35mm 的镜头就行。
光圈和景深的关系：光圈越小（F 值越大），景深越大，但进光量减少。我一般建议：在保证亮度的前提下，尽量用小光圈。因为工业检测场景，物体表面往往有高度差，景深大一点，能保证整个视场都清晰。
3.3.2 机械结构：震动、对焦、防护
- 震动：产线设备运行时会有震动，相机支架必须稳固。我见过用万向节支架的，拍出来的图像边缘一直在抖动，算法根本没法处理。建议用铝型材或铸铁底座，加橡胶减震垫。
- 对焦：工业镜头一般有锁紧螺丝。调好焦后一定要锁死，否则产线震动会导致跑焦。我习惯在调焦时用对焦测试卡，确保整个视场都清晰。
- 防护：工业现场有粉尘、油污、高温。相机和镜头要加防护罩，镜头前加保护玻璃。保护玻璃要定期清洁，否则灰尘会影响成像质量。
3.3.3 成像系统搭建流程图
下面这张图是我自己总结的搭建流程，从需求分析到最终验收，每一步都有对应的检查项：
3.4 实战中的几个关键检查清单
最后，我把自己常用的检查清单分享给你。每次搭建完成像系统，我都会逐项过一遍：
- 图像清晰度：整个视场内的边缘是否锐利？有没有局部模糊？
- 光照均匀性：用相机拍一张白纸，检查四角和中心的亮度差。差异超过 10% 就要调整光源位置或加匀光片。
- 缺陷可见性：放一个已知缺陷的样品，看图像里缺陷是否清晰可辨。对比度够不够？
- 重复性：同一个产品拍 10 次，看图像是否一致。如果每次都不一样，说明有震动或光源不稳定。
- 帧率稳定性：连续采集 1 分钟，看有没有丢帧或帧率波动。丢帧率超过 0.1% 就要检查接口或线缆。