机器视觉相机：如何为您的机器视觉应用选择合适的相机

由于改进和经济实惠，机器视觉系统已变得更加有用且可用于各种应用。然而，在选择工业相机系统时必须考虑多种因素。

在尝试为机器视觉应用选择合适的相机时，了解工业相机和光学规格至关重要。毕竟，传感器和镜头之间的关系使相机能够捕获物体的适当照明的图像。在工业图像处理操作期间，相机传感器将来自镜头的光（光子）转换为电信号（电子）。通常使用电荷耦合器件 (CCD) 或互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器生成的信号产生由像素组成的图像。然后，处理器分析图像，该图像由低光照水平引起的暗像素和强光照水平引起的亮像素组成。

虽然每个机器视觉检测项目都不同，但大多数相机检测系统开发人员首先定义全面的要求，列出每个机器视觉任务，并收集一系列要成像的样本零件。在决定必须完成的任务（例如 OCR（光学字符识别）、条形码读取、计量、获取高质量彩色图像、查看高速事件或其他一些任务）后，设计阶段通常从选择工业机器视觉开始相机。

为相机检查系统选择相机并非易事。近年来，机器视觉相机领域经历了快速扩张，众多制造商提供了令人眼花缭乱的相机型号。从线扫描、面阵、高速、高分辨率、模拟到紫外线 (UV)、单色、彩色、NIR、 短波红外、红外、多光谱和高光谱，每种工业相机类型都拥有独特的功能。

因为选择正确的机器视觉相机（或 计算机视觉相机）从市场上数以千计的可用相机中挑选可能是一项艰巨的任务，本文旨在简化在这个复杂环境中的导航，并帮助选择最佳相机来满足特定需求。本文讨论了选择机器视觉相机时必须考虑的关键因素。它不仅解决了辐射类型、分辨率、像素尺寸、量子效率、帧速率、曝光时间、相机尺寸、图像传输速度和其他因素，还概述了在涉及高速技术时需要寻找的内容。机器视觉应用，例如相机接口及其协议、处理技术和软件。最后，它将解释在目前可用于此类系统的高速、RDMA 就绪机器视觉相机的背景下，基于 RDMA、TCP 和 UDP 的 GigE 实现之间的差异。

应用限制

选择理想的工业相机需要仔细考虑多种因素，包括其物理尺寸、重量和功耗。这些限制可能会显着影响选项，尤其是在独特的应用中。例如，考虑一个自主移动机器人 (AMR)，其任务是在仓库中移动物品。该 AMR 需要一款体积小、重量轻、功耗低的相机，以最大限度地延长运行时间。在这种情况下，尺寸和重量限制成为关键的决策点。

环境因素在相机比较中也起着至关重要的作用。摄像机在室外使用是否需要外壳保护？或者它会在受控的室内环境中运行吗？了解环境条件将指导选择适合这些特定条件的相机功能。拍摄对象速度是另一个可以显着影响相机选择的因素。为了捕捉快速运动并冻结动作，高速摄像机至关重要，因为它们可以对拍摄对象的运动进行详细分析。

如果明亮的光线有限，请考虑对光敏感度高的相机。这些相机即使在可用光线极少的情况下也能捕获清晰的图像，非常适合密闭空间或弱光环境。相机比较中需要评估的其他因素包括帧速率、分辨率和动态范围。帧速率指定相机每秒捕获的帧数。捕捉快速移动的物体或流畅的慢动作播放需要更高的帧速率。分辨率决定图像的细节和清晰度。更高的分辨率可以捕获更多细节，但需要额外的图像存储空间。动态范围是指相机捕捉场景明亮和黑暗区域细节的能力。更高动态范围的相机产生的图像具有更真实的照明和更少的高光溢出或丢失的阴影。

机器视觉相机内部观察

打开基本的机器视觉相机可以了解其内部工作原理。大多数机器视觉相机可以分为两个主要部分：一组电路板和图像传感器本身。电路板通常称为后端电路，负责处理相机的功能逻辑。它们可能包括 A/D（模数）转换器、放大器、用于曝光和帧速率的时钟、读出电路、FPGA（现场可编程门阵列）、存储器和其他设备。将此电路视为相机的大脑，处理信号转换、控制时序和存储传入图像等任务。

机器视觉相机的前端本质上是图像传感器。图像传感器是相机的眼睛，捕获光线并生成图像。图像传感器主要有两种类型：可见光传感器（硅 CCD 或 CMOS）和红外传感器（使用各种其他材料）。虽然此讨论适用于选择可见光和红外光相机，但它不会涵盖许多其他类型的传感器，例如由各种不同材料制成的冷却和非冷却红外传感器。相反，我们将重点关注可见光传感器，它们就像硅海绵一样吸收光线并将其转化为数码图片。

电磁辐射

人眼就像通向世界的一扇小窗户，只能让广阔的电磁波谱的一小部分进入。幸运的是，相机已经成为强大的延伸，让视野远远超出视觉的限制。想象一下巨大的宇宙灯光秀，其中光谱的每个波段都发挥着独特的作用。光谱中的每个波段都有特定的波长，这些波长决定了可见光。

将波长想象为宇宙的尺子。较短的波长，如紫外线或 X 射线，可以解析极其微小的细节，如蝴蝶翅膀上的复杂图案或病毒的微妙结构。另一方面，较长的波长（例如红外线）很难区分精细的细节。它们非常适合检测热信号、揭示人类的存在，甚至是黑暗中的一杯热咖啡。但对于放大微观结构来说，它们就不够了。

特定的应用需要专门的相机。例如，某些机器视觉和成像功能要求相机的灵敏度超过可见光谱。另外，某些任务需要配备相机来检查玻璃等高反射材料。对于寻求灵敏度超出可见光光谱，同时还能以高速和高数据速率运行的区域扫描相机的系统集成商，Emergent Vision Technologies 提供具有紫外线灵敏度的 10GigE 和 25GigE 多光谱相机，以及具有偏振图像传感器的 10GigE 相机。索尼 CMOS 传感器。

两个 25GigE Bolt HB-8000-SB-U 和 10GigE HR-8000-SB-U 采用索尼的 8.1 MP UV Pregius S IMX487 CMOS 图像传感器，在 200 nm 至 400 nm 的 UV 光谱范围内提供更高的灵敏度。 IMX487 是一款具有全局快门功能的 2/3 英寸 CMOS 传感器，可有效捕获紫外线。与其他 Sony Pregius S 传感器一样，它在堆叠 CMOS 传感器上采用背照式像素结构，可提供不失真的快速成像功能。

25GigE HB-8000-SB-U 帧速率达到 201 fps，而 10GigE HR-8000-SB-U 达到 145 fps。这些 GigE Vision 相机符合 GenICam 标准，专为多光谱成像应用而设计，包括半导体检查、废塑料分类、高压电缆检查、印刷检查、高分辨率显微镜和发光光谱。

那么，相机如何捕捉这些可见和不可见世界的图像呢？旅程始于电磁辐射，通常称为光。当光到达像素时，它会触发自由电子的产生。成像的目标是将光子转换为电子，保留在像素内，类似于电容器。随着更多的光继续照射，会产生额外的自由电子并将其作为电荷存储在这些像素内，直到它们最终在读出过程中被检索。

满井容量：一个像素可以处理多少光？

您是否见过明亮物体将其光线渗透到图像中的周围区域？这就是所谓的“溢出”，当像素光线超载时就会发生这种情况，就像溢出的水桶一样。像素在光晕之前可以处理的最大光量称为其满阱容量（FWC）。就像那个桶的大小，用称为电子的微小带电粒子来测量。当像素完全饱和并且无法容纳更多电荷时，就称为已达到其 FWC。

数据表通常根据达到该状态所需的电子数量来定义传感器的 FWC。例如，传感器的 FWC 可能为 20,000 个电子。如果相机公司的数据表不包含给定相机的 FWC，则相机公司可能会列出其使用的传感器。如果没有，请询​​问相机公司并从代工厂获取图像传感器数据表，其中应指定 FWC。了解 FWC 对于不同的应用至关重要：

低光成像：在昏暗的条件下，每个光子都很重要。具有高 FWC 的传感器即使在较长的快门速度下也能捕捉微弱的细节，避免噪音和颗粒，即使在黑暗中也能获得更清晰的图像。

高动态范围成像：高 FWC 传感器使相机能够捕捉更广泛的光强度，而不会剪掉明亮的高光（白色过曝）。想象一下自动驾驶汽车中使用的摄像头，它们必须穿过黑暗的隧道，并安全地进入阳光明媚、阴影深重的城市景观。高 FWC 传感器可以保留两个极端的细节而不会出现剪裁，从而创建更丰富、更真实的图像。

科学成像：准确的 FWC 值对于研究应用中的精确测量至关重要。捕捉银河系的微妙光芒或遥远的星系需要一个能够处理夜空中各种光线水平的传感器。对于天文学或医学成像等捕获微弱信号至关重要的应用，高 FWC 传感器至关重要。

传感器电路决定何时允许该光开始产生电子（这称为积分）以及何时停止。电路打开或关闭像素，启动和停止与每个孔中积累的电荷量成比例的电压生成。最后，当读出像素的整个区域阵列时，可以以指定的线速率或以指定的帧速率从线性行中的像素读出信号。

量子效率和信噪比

像素将光子转换为电子的能力称为量子效率 (QE)。当光子进入像素时，它们会产生电子。然而，同时热量和其他因素也会产生一些电子，这就是噪声。每个像素的目标是让光产生的电子多于热和其他因素产生的电子。换句话说，信号（来自光的电子）多于噪声（来自热和其他因素的电子）的图像传感器具有高信噪比 (S/N)。

具有高信噪比、低噪声和大FWC的图像传感器将具有大的动态范围。动态范围是测量的最大电荷与最小电荷的比率。在读出过程中，会发生模拟电压到数字的转换（A/D）。例如，如果相机的后端电路能够提供 8 位模数转换，则它可以提供 256（或 2⁸）水平。如果读出的像素电荷为0，则它​​没有电子并且是黑色的。如果像素完全饱和并且处于最大电荷，则它是白色的并且计数为 255。

A/D 决定存在多少个灰度级。低信噪比意味着大量信号在噪声中丢失，在黑色中丢失。例如，很难区分与背景和周围部分仅有轻微对比的物体的特征。然而，10 位 A/D 是 2¹⁰ = 1024。如果感兴趣的特征与周围区域之间存在细微的灰度差异，则更多的灰度划分将增加能够区分该特征的可能性。

像素大小

较大的像素通常在图像质量方面具有优势。一般来说，与较小的像素相比，较大的像素由于其收集电子的“桶”更大，因此拥有更高的信噪比和动态范围。更大的表面积也意味着捕获更多的电子。然而，这种好处是有代价的：更大的像素会增加传感器的成本。为什么传感器越大价格越高？想想硅晶圆，其中蚀刻了多个传感器。生产该晶圆的成本由其生产的所有传感器分摊。较小的像素允许在单个晶圆上安装更多传感器，从而有效降低每个传感器的成本。这就是为什么较小的传感器比较大的传感器便宜得多。

除了理想情况之外，工厂产量也起着至关重要的作用。并非每个制造的传感器都是完美的，大型传感器的生产量较小会放大缺陷的影响。在如此有限的批次中出现一些坏像素会显着减少传感器的可用数量。因此，选择“最大、最好”并不总是最明智的做法。虽然较大的像素具有性能优势，但较小的像素可能是一种经济高效的替代方案，特别是当尺寸限制或预算问题发挥作用时。

成像仪尺寸

成像器尺寸在相机性能中起着至关重要的作用，但命名约定可能会令人困惑。 “四分之一英寸”和“半英寸”等术语可能看起来已经过时，尤其是当实际尺寸以毫米为单位时。那么，这些术语从何而来，它们的真正含义是什么？这些术语让人回想起胶片摄影时代。标准胶片尺寸（8mm、16mm 和 35mm）使用特定直径的孔径。相机镜头的设计目的是在这些光圈内将图像圈投影到胶片上。

这些术语仅表示图像传感器的近似对角线尺寸，参考等效胶片格式。例如，半英寸传感器大致对应于 16 毫米胶片帧的对角线。虽然命名约定源自胶片，但为了精确起见，实际传感器尺寸以毫米为单位。这样可以与镜头和其他相机组件进行更准确的比较和兼容性计算。

传感器对角线尺寸

选择镜头最重要的尺寸是传感器的对角线尺寸。这决定了镜头需要投影以覆盖整个传感器的像圈的最小直径。相机通常使用这些熟悉的“四分之一英寸”到“一英寸”术语来指定传感器尺寸，但重要的是要查阅手册或制造商的网站以了解以毫米为单位的实际对角线测量值。

镜头需要投射一个完全覆盖传感器对角线的图像圈。传感器的对角线尺寸直接影响镜头所需的像圈。一英寸传感器需要具有至少一英寸图像圈的镜头，以避免渐晕或不完整的图像捕获。虽然可以使用更大的镜头，但它们的像圈可能会超出传感器区域，从而导致分辨率潜力的浪费。相反，在较大的传感器上使用较小的镜头只能照亮中心部分，从而减少视野。

在计量应用中，精确测量至关重要，故意加大镜头相对于传感器的尺寸可能是有利的。这利用了镜头的高性能中心区域来实现最佳的细节分辨率。选择像圈较小的镜头会导致渐晕（暗角）甚至裁剪图像。相反，比所需的图像圈大得多的图像可能会造成过度杀伤，并影响性能或成本。

了解传感器尺寸及其与镜头兼容性的关系对于明智的相机选择至关重要。不要仅仅依赖“四分之一英寸”或“半英寸”标签；始终检查对角线测量并确保所选镜头能够充分覆盖传感器。然而，如果没有与指定相机兼容的镜头，设计者可能不得不选择不同的相机。

微透镜提高较小像素的性能

有没有想过相机传感器如何变得越来越小、功能越来越强大，同时仍然捕捉到令人惊叹的细节？神奇之处在于位于每个像素顶部的称为微透镜的微小透镜。想象一下相机传感器的横截面。底部是硅晶圆，像素所在的地方。这些微小的光敏感区域就像水桶一样，收集光子以创建您所看到的图像。像素上方有一层复杂的金属布线。这些“静脉”携带控制每个像素的电信号，告诉它们何时开始和停止收集光线，以及最终如何将数据转换为图像。

对于彩色相机，像素顶部有一层特殊的红色、绿色和蓝色滤镜。这些滤光片就像微小的门一样，只允许特定波长的光通过，从而为每个像素创建颜色信息。现在，想象光线以不同角度进入传感器。有些人可能会错过微小的像素桶并逃脱捕获。进入微透镜！这些微型镜头位于每个像素的顶部，就像微型放大镜一样。它们弯曲和聚焦光线，确保即使以一定角度进入的光线也能到达光敏感区域。

捕捉更多光线

微透镜显着增加了每个像素捕获的光量，从而带来两件事：增强灵敏度和提高分辨率。通过增强的灵敏度，即使在弱光条件下，传感器也可以捕获更多细节。改进的分辨率可确保更多的光线转化为更锐利、更清晰的图像和更精细的细节。然而，这种性能提升是有代价的。微透镜是固定在传感器上的固定装置。虽然它们可以提高整体光线捕捉能力，但也可以阻挡紫外线。

一些微透镜由吸收紫外线的材料制成，限制了传感器捕获某些类型信息的能力。微透镜还限制了透镜的灵活性。微透镜的固定性质限制了某些可能需要与传感器表面直接交互的透镜类型的使用。

微透镜的尺寸和形状根据具体传感器及其预期用途而变化。微透镜技术正在不断进步，研究人员正在探索新材料和设计以克服当前的限制。

微透镜是传感器技术的一项重要创新，可在不牺牲图像质量的情况下实现更小、更高效的传感器。但它们的永久性性质以及紫外线敏感性和镜头兼容性方面的潜在限制是需要考虑的重要因素。选择带或不带微透镜的传感器取决于您的具体需求和优先级。对于弱光条件或需要高分辨率的应用，微透镜具有显着的优势。

背照式传感器

对捕捉更多光线并在紧凑型传感器中实现令人惊叹的图像质量的追求催生了令人兴奋的创新。其中一项进步是带有微透镜的背照式传感器。该技术颠覆了传统传感器设计，具有多种优势。想象一下传感器的横截面。通常，微透镜位于像素顶部，收集光线并引导光线穿过金属布线层，然后到达光敏区域。在背照式传感器中，角色相反。微透镜与传感器背面的滤色镜集成在一起，允许光线直接进入像素，而无需穿过金属布线。

允许光子进入传感器的背面大大提高了信噪比。其优点包括增加光捕获、提高灵敏度和增强动态范围。消除金属布线的障碍可显着增加到达每个像素的光量，从而提高灵敏度，在低光条件下捕捉更清晰的图像，并增强动态范围，以改善场景明亮和黑暗区域细节的捕捉。

背面减薄晶圆

为了有效地实施这种背照式传感器技术，需要减薄硅基板，以允许光以最小的吸收通过。然而，晶圆减薄是一个微妙的过程，通常被认为是铸造厂的“秘方”。它发生在整个传感器制造完成之后，任何错误都会造成高昂的代价。想象一下从气态真空薄膜加工的受控世界过渡到用浆料进行机械研磨的混乱领域。这种非常规方法类似于抛光钻石，在半导体铸造厂中可能看起来不寻常，但它对于实现所需的厚度至关重要。然而，仍然存在一些挑战和权衡。

虽然带有微透镜的背照式传感器具有显着的优势，但仍然存在一些挑战，包括紫外线灵敏度限制以及由于制造这些传感器时涉及的额外处理步骤和专门技术而增加的复杂性和成本。尽管存在这些挑战，带有微透镜的背照式传感器技术代表了传感器性能的重大飞跃。

然而，由于背照式传感器在手机摄像头中变得越来越常见，研发的显着增加导致效率、灵敏度和紫外线灵敏度的进一步提高，为更令人惊叹和多功能的成像解决方案铺平了道路。最新的 CMOS 传感器在背照式传感器中使用特定的微透镜设计和材料，可以进一步优化紫外线灵敏度。替代疏伐技术也有助于提高产量并降低成本。

虽然电子倍增 CCD (EMCCD) 和延时积分 (TDI) 等技术可提供更高的灵敏度，但它们更加复杂，不属于本讨论的范围。尽管如此，重要的是要知道有多种技术可以显着增强特定相机类型的低光性能。

滚动快门传感器与全局快门传感器

并非所有相机都是生来平等的。该行业提供两种选择：滚动快门和全局快门。在捕获高速物体或网络进程时，传感器的选择至关重要。一般来说，选择正确的传感器取决于特定的应用限制，例如速度和精度。

卷帘快门就像一台快速扫描仪，逐行读取数据。卷帘快门传感器非常适合许多日常成像任务和捕捉静态图像。但对于高速运动或精确测量，图像中的物体可能会失真。

全局快门可以被认为是一次捕捉整个场景的相机，就像快照一样，非常适合捕捉快速移动的物体而不会失真。全局快门传感器非常适合科学应用和精确测量。

线扫描相机

有没有想过相机如何捕捉传送带上移动物体的图像？线扫描相机是完成此任务的一种方法。线扫描相机使用线性一维图像传感器一次捕获图像的单行，并从中构建二维图像进行分析。线扫描相机通常用于方便检查经过的移动物体。将这些相机视为激光束，高速扫描单线。线扫描相机非常适合检测传送带上的产品等网络流程。线扫描相机逐行构建完整的图像。为此，它们必须与物体的运动同步。

它的工作原理如下：想象一条传送带，上面有一个包裹移动。线扫描相机具有又长又薄的传感器，当配备适当的镜头时，将捕获跨越传送带宽度的图像，并一次捕获单行像素。如果包裹没有移动，则相机仅捕获图像的单行，因此很难辨别包裹上的许多细节。然而，当包裹移动时，相机会逐行捕捉，形成完整的图像。

当线扫描相机与运动同步触发时，可以根据需要生成图像。这使得线扫描相机能够经济高效地捕获大型物体的高分辨率图像。除了大型移动物体外，线扫描相机还可用于对旋转的圆柱形物体进行成像。如果运动一致，或者可以使用速度传感器或编码器，那么线扫描相机可能具有成本效益。

Emergent 提供一系列 10GigE、25GigE 和 100GigE 配置的线扫描相机，旨在满足当代线扫描成像需求的快速需求。这些相机系列可确保可靠的部署，提供零复制和零数据丢失的成像功能。该阵容包括各种型号，从 LR-4KG35 10GigE线扫描相机，速度可达172KHz， LZ-16KG5 100GigE线扫描相机，可实现快速400KHz。

经济高效的高分辨率成像

线扫描相机在成本方面具有令人惊讶的优势。与面阵相机相比，他们通过在单个晶圆上封装更多像素来实现这一目标。由于线扫描技术一次只能捕获一条线，因此它允许更密集的像素放置，这意味着每个晶圆有更多的像素。线扫描传感器通常具有 2000、4000、甚至 16,000 像素。类似的面阵将是巨大且极其昂贵的。

一般来说，由于封装密度较高，1K 线扫描传感器比 1K 面阵传感器便宜，从而降低了每像素的成本。如果应用涉及移动物体（例如传送带）的高分辨率成像并且可以控制移动，则线扫描相机是一种经济高效的选择。线扫描相机还能够捕获颜色信息。

然而，线扫描相机存在某些局限性。照明需要精确，并且相机光圈必须在大部分时间保持打开状态，这会减少景深，使得捕捉距相机不同距离的物体变得更加困难。

面阵相机

当物体以一致的速度移动时，线扫描相机会表现出色，从而实现精确的图像捕获和高效的图像处理，而面扫描相机更适合静止物体和具有不可预测的移动和更大景深要求的场景。配备面扫描传感器的面扫描相机具有大型像素矩阵或阵列，可在单次曝光中生成 2D 图像。

与线扫描相机相比，面扫描相机通常需要更少的光线，并且由于具有矩形视场，因此照明通常更容易安装。此外，区域扫描相机可以使用频闪照明捕获短曝光图像，从而快速为传感器带来大量光线。大多数图像采集应用都使用面扫描相机。

某些应用可能需要高分辨率相机，特别是在小细节的精确可视化或大型零件的全面检查至关重要的情况下。为了满足此类要求，Emergent 推出了一系列涵盖各种相机系列的高分辨率型号，例如 Eros 5GigE、HR 10GigE 和 Bolt 25GigE 相机。

这些型号采用了 Sony Pregius S 系列的先进 IMX 传感器，包括：

• 1MP IMX547： HE-5000-SBL 5GigE 相机 (45.5fps), HR-5000-SBL 10GigE 相机 （99fps）
• 1MP IMX546： HE-8000-SBL 5GigE 相机 (36.5fps), HR-8000-SBL 10GigE 相机 （73fps）
• 4MP IMX545： HE-12000-SBL 5GigE 相机 (34fps), HR-12000-SBL 10GigE 相机 （68fps）
• 13MP IMX542： HE-16000-SBL 5GigE 相机 (26fps), HR-16000-SBL 10GigE 相机 （52fps）
• 28MP IMX541： HE-20000-SBL 5GigE 相机 (21.5fps), HR-20000-SBL 10GigE 相机 （43fps）
• 47MP IMX540： HE-25000-SBL 5GigE 相机 (17.5fps), HR-25000-SBL 10GigE 相机 （35fps）

25GigE Bolt 系列还利用了 5.1MP IMX537 HB-5000-SB (269fps)，8.1MP IMX536 HB-8000-SB (201fps)，12.3MP IMX535 HB-12000-SB (192fps)，20.28MP IMX531 HB-20000-SB，以及其 24.47MP IMX530 HB-25000-SB （98 帧/秒）。可用选项扩展到更高分辨率的相机，如 Zenith HZ-100-G (103.7MP Gpixel GMAX32103) 和 螺栓 HB-127-S （127.7MP 索尼 IMX661）。

接口和连接选项也会显着影响相机的选择，相机的易用性、控制选项以及用于与其他系统集成的可用连接端口也是如此。除了前面讨论的因素之外，其他一些考虑因素也会显着影响您的相机选择。

彩色与单色

虽然色彩再现对于某些应用（例如医疗诊断）可能很重要，但单色相机通常提供可行的替代方案。一般来说，单色相机有几个优点。它们通常比彩色相机表现出更高的光敏感度，从而在弱光条件下具有更好的性能。此外，单色相机通常比彩色相机更便宜，并且单色图像需要更少的存储空间，这使得它们更适合数据存储有限的应用。

最常见的彩色相机是单芯片、单传感器。所采用的流行过滤器模式称为拜耳模式。在此图案中，红色滤镜覆盖一个像素，两个绿色滤镜跨越两个像素，一个蓝色滤镜覆盖另一个像素。因此，对于每个像素，都有一个配备红色滤镜，两个配备绿色滤镜，一个配备蓝色滤镜。使用两个绿色滤光片是因为人眼对绿色波长更敏感。这有助于传感器忠实地复制颜色，反映人类如何感知它们。

这些滤色器是一体的；它们永久固定在像素顶部，因此无法删除或更改它们。它们选择性地允许某些波长的光到达每个像素，从而生成拜耳滤光片特有的两种绿色、一种红色和一种蓝色图案。然而，值得注意的是，只有大约三分之一的入射光子成功通过这些滤波器。

因此，彩色相机通常比单色相机需要更多的光线。这是因为彩色传感器仅捕获每个像素的一部分可用光，这与捕获全部可用光的单色传感器不同。虽然可以准确捕获各个像素，但重新创建全彩色图像需要插值。想象一下显示器上有一个微小的像素网格。每个像素需要红色、绿色和蓝色的混合来表示实际颜色。

去马赛克算法分析周围的红色、绿色和蓝色像素，以估计每个像素的这种混合，但此过程可能会稍微模糊边缘并降低感知分辨率。为了获得精确的色彩准确性，专业摄影师使用 Macbeth ColorChecker。该标准化图表包含一系列颜色，可以将相机捕获的颜色与参考进行比较，这在涉及正确颜色识别的自动检测相机应用中也很有用。特别注意红色，因为它们对于视觉系统相机来说可能很棘手。

短波红外 (SWIR) 和偏振成像

特定场景需要专门的成像技术，例如识别标签上的防伪水印或安全代码或通过瓶子成像以确保精确的灌装水平。 短波红外相机 例如 Emergent Vision Technologies 提供的产品可以在此类情况下可靠地部署。 Emergent 的 Eros 5GigE 相机系列包括以下型号 HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SI及 HE-5300-SI，配备先进的索尼 SenSWIR 传感器，能够捕获 400 至 1700 nm 范围内的图像。这些相机采用索尼的 0.33MP IMX991、1.31MP IMX990、3.14MP IMX993 和 5.24MP IMX992 传感器。

传统成像方法在检查引起眩光的闪亮或反射材料时遇到挑战。偏振相机，如 Emergent 的 HR-12000-S-P、HR-5000-S-P、 HE-5000-S-PM 单色，和 HE-5000-S-PC 彩色相机通过增强亮度和颜色并能够检测常规传感器经常错过的微小细节来解决这些问题。偏振成像适用于需要区分反射和透射场景的场景，可用于识别表面不规则性，例如污垢、凸起区域、压痕、划痕和变形。

这些偏振相机依赖于索尼的 5MP Sony IMX250MZR（单色）和 IMX250MYR（彩色），以及 12MP Sony IMX253MZR（单色）和 IMX253MYR（彩色）传感器。这些传感器在每个镜头上集成了微型线栅偏振器，在四像素簇中具有 0°、45°、90° 和 135° 的偏振角度；这种插值将传感器的有效分辨率降低了 4 倍，每个四像素块都会转换为单个输出像素。

高速成像

如果视频主要用于分析，请优先考虑高帧速率等功能，以捕捉快速移动的主题并实现流畅的慢动作播放。高分辨率为准确的数据分析提供详细的图像，高动态范围可以捕获真实的照明并避免丢失明亮或黑暗区域的细节。对于实时视频源，优先考虑低延迟等功能，以最小的延迟传输视频以实现实时响应，以及高效的数据压缩以减少带宽使用以实现流畅的流传输。

录制选项在相机选择中也发挥着重要作用。对于实时分析至关重要且不需要保留数据的应用来说，无录制的实时流媒体是理想的选择。然而，可以捕获快速移动事件以供以后分析的高速记录需要高性能存储解决方案，例如 RAID 或固态驱动器。重要的是要记住，更高分辨率和帧速率的相机需要更多的存储空间。压缩记录格式提供较小的文件大小，但可能会牺牲图像质量。对于存储，根据数据量和访问速度要求考虑 RAM、RAID 阵列或固态硬盘。

随着越来越多的成像应用超出了工厂设置范围，GigE Vision 简化操作的能力对于原始设备制造商 (OEM) 来说变得更加重要。在摄像机和 PC 之间距离较长的场景中，例如监控、交通和体育技术应用，电缆的长度变得至关重要。 SFP+ (10G)、SFP28 (25G) 和 QSFP28 (100G) 等经济高效的收发器组件的可访问性允许使用跨距长达 10 公里或更远的单模光纤。

用于高速机器视觉的零拷贝成像技术

在 GigE Vision 的背景下，由于特定的挑战，出现了传输控制协议 (TCP) 或远程直接内存访问 (RDMA) 以及基于融合以太网的 RDMA (RoCE) 和 RoCE v2 的使用。这一挑战涉及在接收器处分解以太网数据包，以将连续格式的图像数据传递给应用程序，这需要分离以太网数据包标头。虽然可以通过软件实现，但此过程会导致性能损失，内存带宽增加三倍，CPU 使用率增加，这是 RDMA 用户在比较传统 GigE Vision 和 RDMA 时经常强调的一个方面。

Emergent Vision Technologies 采用了零拷贝图像传输方法，这是实现高速成像最佳性能的基本要求。该技术利用当代网络接口卡固有的拆分功能，显着降低了 CPU 负载和内存带宽。随附的动画演示了采用改进的 GigE 视觉流协议 (GVSP) 进行零拷贝图像传输时零拷贝内存带宽使用的影响。动画的第一部分展示了一个未优化的系统在 NIC 中遇到缓冲区溢出的情况，而后续部分则展示了零复制和系统优化所促进的平稳可靠的数据流。

预算

在决定购买哪款相机时，成本起着至关重要的作用，并且与分辨率和速度同样重要。此时，很可能已经根据机器视觉检测系统的成本效益和投资回报 (ROI) 做出了购买工业相机用于检测或其他机器视觉任务的决定。

当谈到机器视觉系统时，成本决定了可以实现的目标，并且相机预算将根据这些评估来确定。尽管非常细致的检查可能很有吸引力，但其成本也可能高得令人望而却步。相机购买者必须权衡成本与投资回报率。从成本角度进行逆向分析是一个很好的起点。它强制优先考虑应用程序真正重要的功能，并确保财务可行性。

由于成本是选择合适相机的一个重要因素，因此应根据预算限制优先考虑功能和规格。这些考虑因素有助于缩小适合特定应用的相机范围。优先考虑每个限制并根据预算对其进行评估将导致选择最适合给定项目的几个相机。

优先考虑应用程序限制

一般来说，最好首先考虑要扫描的物体的大小以及该物体上需要区分的最小可能特征。像素越小，可以解析的细节就越小。有多种规格的相机可供选择，例如高达 16K 的线扫描相机、80 MP 或更高的面阵相机，一直到每秒捕获数千帧的高速相机。

高分辨率和高速相机需要高带宽。然后是电缆长度和视频协议：模拟 (RS-170)、USB、Camera Link (CL)、CoaXPress 和 GigE。协议的选择通常取决于带宽和电缆长度要求。请记住各种镜头卡口，例如 M12、CS、C、F、M42、M75，并考虑图像传感器越大，镜头卡口就越大。要确定线性阵列传感器所需的最小像圈，请考虑与面阵对角线类似的传感器长度。

可能需要评估的各种其他功能包括可选择的 ROI（感兴趣区域）、FPGA、相机内存、嵌入式图像处理等。确定镜头需要多大才能满足视场和工作距离要求。考虑一下电磁频谱，并准确地弄清楚如何照亮所需的感兴趣的特征，而不是其他。在单色和彩色、紫外线、偏光、近红外、短波红外、多光谱或高光谱之间进行选择。考虑所有这些优先事项将有助于缩小适合应用程序的相机范围。

GPUDirect：零数据丢失成像

在其所有高速、高分辨率 GigE Vision 相机中，Emergent 通过使用优化的 GigE Vision 方法和无处不在的以太网基础设施来实现可靠、稳健的数据采集和传输，而不是依赖专有或点对点，从而确保一流的性能。点接口和图像采集板。此外，Emergent支持直接传输技术，例如NVIDIA的GPUDirect，可以将图像直接传输到GPU内存，减轻大数据传输对系统CPU和内存的影响。此类设置利用更强大的 GPU 功能进行数据处理，同时保持与 GigE Vision 标准的兼容性以及与兼容软件和外设的互操作性。

使用 Emergent eCapture Pro 软件，采用 GPUDirect 技术的相机还可以将图像直接传输到 GPU 内存。通过部署该技术，可以实现零 CPU 利用率和零内存带宽成像，且不会丢失数据。通过使用更强大的 GPU 功能，该技术减少了大数据传输对系统 CPU 和内存的影响，同时保持与 GigE Vision 标准的兼容性以及与兼容外设和软件的互操作性。

应急摄像机：

Emergent 使用 10、25 和 100GigE 视觉技术，在包括机器视觉和娱乐在内的广泛市场中展示了顶级性能。具有广泛的相机选项，包括 10GigE、25GigE 和 100GigE 相机，范围从 0.5MP 到 100MP+，帧速率高达 3462fps，全 2.5MP 分辨率，可满足不同的成像需求。