相機

數位相機介面

As imaging technology advances, the types of cameras and their interfaces continually evolve to meet the needs of a host of applications. For machine vision applications in the semiconductor, electronics, biotechnology, assembly, and manufacturing industries where inspection and analysis are key, using the best camera system for the task at hand is crucial to achieving the best image quality. Understanding cameras parameters such as digital interfaces, power, and software provides a great opportunity to move from imaging novice to imaging expert.

數位相機有多種介面可供選擇通常取決於應用的要求。一些介面傳輸格式，例如作為 USB 機種，使用 Plugn-Play可以大大簡化設置過程隨插即用，並通過一個單一傳輸線提供影像輸出和電源輸入。其他介面可能需要額外的電源或其他周邊，但具有更高的數據傳輸速率等優勢，這會影響相機的幀率，或支持更長的傳輸線長度和更多數量的並發設備。

數位介面比較
DIGITAL SIGNAL OPTIONS NOTE: images not drawn to scale
	USB 3.1	GigE (PoE)	5 GigE (PoE)	10 GigE (PoE)	CoaXPress	Camera Link^®
Data Transfer Rate:	5Gb/s	1000 Mb/s	5Gb/s	10Gb/s	up to 12.5Gb/s	up to 6.8Gb/s
Max Cable Length:	3m (recommended)	100m	100m	100m	>100m at 3.125Gb/s	10m
# Devices:	up to 127	Unlimited	Unlimited	Unlimited	Unlimited	1
Connector:	USB 3.1 Micro B/USB-C	RJ45 / Cat5e or 6	RJ45 / Cat5e or 6	Cat7 or Optical Cabling	RG59 / RG6 / RG11	26pin
Capture Board:	Optional	Not Required	Not Required	Not Required	Optional	Required

表 1: 比較主流的數位相機介面。

USB (Universal Serial Bus)

USB 3.1 Gen 1 以前稱為 USB 3.0，是一種流行的傳輸介面因為它在電腦上無處不在、速度快、方便。最大可達到的速度和方便；最大可達速度取決於取決於 USB 周便連接的數量，因為總的傳輸速率為固定的為 5 Gb/s.在USB3 Vision中，相機控制寄存器基於EMVAGenICam標準。 USB3 Vision標準與無法向後相容的電腦標準，但有些USB 3.1 Gen 1相機向下相容，使其可以在USB 2.0（480Mb / s）的速度運作。機器視覺相機行業使用最常見的USB 3.1連接埠的是USB 3.1Micro B連接埠。USB-C逐漸推向市場（USB Type C），是為將來設計高速連接用。它具有單頻帶和雙頻帶最高速度分別為10 Gb / s和20 Gb / s。另外，該連接埠具有較小的體積並且沒有方向性。雖然目前使用USB-C的傳輸線和相機仍然受限在USB 3.1 Gen 1數據傳輸速度，此新介面將會用在採用USB 3.1 Gen 2 上，提供高速傳輸。

GigE (Gigabit Ethernet)

GigE基於Gigabit乙太網網際網路通訊協定，並為高速相機介面使用標準Cat 5e與Cat 6傳輸線。交換器、集線器以及中繼器等標準乙太網硬體可用於多台相機，儘管在使用非對等（相機直接到卡）連接時必須考慮總頻寬。在GigE Vision中，相機控制緩存器基於 EMVA GenICam標準。連結彙總（LAG、IEEE 802.3ad）在某些相機上為可選，使用多個乙太網連接埠（平行）以增大數據傳輸速率，並透過多點傳送分散處理器負載。某些相機有支援網路精確時間協定（Precision TimeProtocol，PTP），可用於同步同一網路上連接的多個相機的計時器，以考慮到其關聯曝光之間的固定延遲關係。5GigE和10 GigE是GigE界面的較新版本分別提供數據傳輸速率為5 Gb / s和10 Gb / s。

CoaXPress

CoaXPress是一個即插即用的高速數位介面，可用於需要高幀率的高分辨率機器視覺應用。它使用同軸傳輸線，並且可擴展為多條傳輸線；每條傳輸線的最大速度為12.5 Gb / s，每條傳輸線最多可以提供在設置24V條件下提供13W的功率。由於具有這種可擴展性，對於CoaXPress，使用上沒有傳輸線線長的限制；越高帶寬，最大傳輸線長度越短。

Camera Link®

Camera Link® 是一種高速串行介面標準，專為機器視覺應用而開發，最為顯著的是涉及自動化檢查與流程控制的應用。需要使用Camera Link® 擷取卡，必須單獨向相機供電。需要使用特殊傳輸線，因為除了低電壓微分對LVDP訊號線外，還需要提供單獨的異步串行通訊通道以保留數據傳輸的全頻寬。單傳輸線基本設定提供專用於視訊的255 MB/s傳輸速率。雙輸出（完整設置）提供單獨的相機參數發送/接收線路，可在極高速度應用中釋放更多的數據傳輸空間(680 MB/s)。

擷取卡

圖像處理通常涉及到使用電腦。擷取卡讓使用者可以將類比相機訊號輸出到電腦供分析；或對於類比訊號（NTSC、YC、PAL、CCIR），擷取卡包含一個類比數位轉換器(ADC)使類比訊號數位化以進行圖像處理。其他擷取卡可支援即時檢視訊號。使用者然後可以擷取圖像並儲存以供未來處理和列印。擷取卡隨附基本的擷取軟體，讓使用者可以儲存、開啟並檢視圖像。

術語「擷取卡」還指PCI卡，需要使用它從數位相機介面獲得並解讀資料，但此PCI卡並非基於標準的電腦介面。

筆記型電腦和相機

儘管許多數位相機介面可供筆記型電腦存取，但強烈建議在高品質及/或高速成像應用中避免使用標準筆記型電腦。通常，筆記型電腦上的資料匯流排不支援最高傳輸速率，並且電腦系統無法充分利用高效能相機和軟體。特別是，大多數筆記型電腦中標準配置的乙太網速度介面卡效能級別遠低於桌上型電腦可用的PCIe卡。

相機供電

成像資源指南第10.2部份

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許多相機介面允許透過訊號傳輸線從遠端向相機供電(如USB傳輸線或PoE)。對所有的GigE相機，以太供電（PoE）是其中一項的功能。如果不是這種情況，通常會使用電源通過Hirose連接線提供（也可以觸發接線和I / O）或標準AC / DC電源供應器連接。即使在可以介面卡或介面為相機供電的情況下，使用可選的電源連接可能是有利的。以下是連接GigE相機並為其供電的三種不同方式：

通用輸入/輸出（GPIO）電源線連接

使用GigE傳輸線將相機接到電腦上。接下來，插入GPIO電源線，通常也稱為Hirose連接埠，傳輸線一端連接至電源插座，另一端連接至相機的電源介面。不同的相機需要不同的GPIO傳輸線規格，例如針腳數為6或12。對於非PoE相機，電源線是相機供電的唯一方法。

以太網供電 (PoE) 電源供應器

PoE電源供應器可以通過GigE傳輸線為相機供電。這是PoE供電重要的特性。當空間限制不允許使用相機專用電源時，例如在工廠產線上或戶外使用。在這種情況下，使用PoE電源供應器利用網路線供電並且同時串聯相機和電腦。但是，並非所有GigE相機機都相容PoE模式。PoE電源供應器上一條GigE網路線接在“IN”端接到電腦。接下來，使用另一條GigE網路線接在“ OUT”端然後連接到相機上。

以太網供電網路介面卡 (PoE NIC)

PoE NIC使用銅介面傳輸讓電腦為相機供電，同時允許相機連接到安全的光纖網路。PoE NIC同時還減少了所需的插座和傳輸線數量。將PoE卡插入電腦上主機板上的插槽並連接內部電源供應器。然後，使用GigE網路線接到卡上其中一個PoE傳輸埠和相機。

相機軟體

成像資源指南第10.3部份

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一般而言，當涉及成像軟體時，提供兩種選擇：特定於相機的軟體開發套件(SDK)或協力廠商軟體。SDK包括應用程式開發介面與程式碼程式庫，用於開發使用者定義的程式，以及簡單圖像檢視與擷取程式，不需要任何代碼和提供簡單功能。使用協力廠商軟體，相機協定標準（GenICam、DCAM、GigE Vision）對於確保功能來說很重要。協力廠商軟體包括NI LabVIEW™、MATLAB®、OpenCV等。通常，協力廠商軟體能執行多台相機，並支援多種介面，但最終取決於使用者所需要的功能。

傳感器

成像資源指南第10.4部份

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傳感器尺寸

相機傳感器有效區域大小是決定系統視場(FOV)和放大倍率(PMAG)的主要因素。假設為成像鏡頭決定的固定放大倍率，較大傳感器會產生較大的視場。如 圖 1 和 表 2所示，有多個標準面掃描傳感器大小。這些標準的命名要追溯到用於電視廣播成像器的攝像真空管，因此務必注意傳感器的實際尺寸會有所不同。但是，這些標準的大多數維持4:3（水平:垂直）尺寸縱橫比。

成像應用中經常出現的一個問題是，成像鏡頭能否支援某些特定的傳感器尺寸。如果傳感器對鏡頭設計而言過大，則所產生的圖像看起來可能朝向邊緣區域逐漸消失或退化；這一效果是由暗角（通過成像鏡頭外部邊緣的光線消失）造成的。這通常是指隧道效應，因為視場邊緣會變黑。較小的傳感器尺寸不會產生此暗角問題。

CCD與CMOS傳感器

CCD（感光耦合元件）與CMOS（互補式金屬氧化半導體）是用於將光轉換成電子訊號的不同傳感器技術。在CCD中，會將每個像素的電荷轉化為電壓，將其存入緩衝區，然後通過單一節點傳輸為類比訊號。在CMOS傳感器中，會在像素層級完成電荷至電壓的轉換，產生不統一的輸出。

在低光照環境(例如高速或高放大倍率的應用)中，光線的不均勻性尤其明顯。CMOS傳感器適合在成像需要低功率或空間受限的應用中，而在需要高品質成像的應用中，建議採用CCD。兩者性能差異如 表 3所示。

Sensor size dimensions for standard camera sensors.

圖 1: 標準相機傳感器的傳感器尺寸。不按比例。

依像素大小相機解析度規格表
Pixel Size [µm]	9.9	7.4	5.86	5.5	4.54	3.69	3.45	2.2	1.67
Resolution $ \left[ \tfrac{\text{lp}}{\text{mm}} \right] $	50.5	67.6	85.3	90.9	110.1	135.5	144.9	227.3	299.4
Typical ½" Sensor [MP]	0.31	0.56	0.89	1.02	1.49	2.26	2.58	6.35	11.02

表 2: 依像素大小的相機分辨率。

CCD vs. CMOS 傳感器
	CCD	CMOS		CCD	CMOS
Pixel Signal:	Electron Packet	Voltage	Uniform:	High	Moderate
Chip Signal:	Analog	Digital	Resolution:	Low-High	Low-High
Fill Factor:	High	Moderate	Speed:	Moderate-High	High
Responsivity:	Moderate	Moderate-High	Power Consumption:	Moderate-High	Low
Noise Level:	Low	Low to High	Complexity:	Low	Moderate
Dynamic Range:	High	Moderate to High	Cost:	Moderate	Low

表 3: CCD與CMOS傳感器。

光譜特性

成像資源指南第10.5部份

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根據應用的要求，相機色彩還原的能力不一定意義。 表 4 對比了黑白、單片彩色和三片彩色相機，以下部份介紹了更多詳情。

黑白與彩色
Monochrome	Color (Single Chip)	3 Chip Color Cameras
單傳感器輸出灰階圖像	使用RGB Bayer濾光片（典型）	利用棱鏡來將白光分到3個不同的傳感器
比同類單片彩色相機的分辨率高10%	較低分辨率（識別顏色需要更多像素）	更昂貴
更好的訊噪比；更大的對比度		更好的顏色分辨率
增加的低光敏感		更少的鏡頭選擇
		不同放大倍率需要使用特殊設計的鏡頭

表 4: 黑白相機,單片(彩色相機), 和三片式彩色相機比較。

黑白相機

CCD和CMOS傳感器為矽材料，對約350 - 1050nm波長敏感，儘管可用範圍通常以400 - 1000nm。此敏感度以傳感器的光譜回應曲線指示 (圖 2)。但是，大多數高品質彩色相機以及部份黑白相機都配有IR截止濾光片讓可見光波段成像。

圖 2: 典型黑白CCD的標準化光譜回應。

彩色相機

此固態傳感器基於光電效應，因此，在不考慮其他因素時，無法區分顏色。彩色CCD相機有兩類：單片和三片。單片彩色CCD相機提供普通、低成本的成像解決方案，並使用馬賽克式（例如Bayer）濾光片，使不同像素僅對一定波長的光敏感。彩色圖像然後會在軟體中使用「去拜爾」算法重建，插入來自RGB訊號的真彩資訊。由於需要更多像素來識別顏色，單片彩色相機本身具有低於其對應黑白相機的分辨率。三片彩色CCD (3CCD)相機經設計，透過使用棱鏡指引入射光譜的每個部份到不同片來解決此分辨率問題。儘管3CCD相機通常提供極高分辨率和更準確的顏色再現，但它們具有較低的光敏性，並且比較昂貴。

畫面更新率和快門速度

畫面更新率是指一秒內產生的完整畫面數量。在高速應用中，選擇更快畫面速率是有益的，因為在物件通過視場時可取得更多的物件圖像。快門速度對應於傳感器曝光時間的反面。曝光時間可控制傳感器收集的入射光數量。相機高光溢出（由曝光過度造成）可透過降低照明或提高快門速度（減少曝光時間）來控制。

系統的最大畫面更新率取決於傳感器輸出速度、介面的數據傳輸速率以及像素數（每個圖像傳輸的數據量）。通常，相機可能透過將像素混合在一起或限制感興趣區域來降低分辨率的方式，於較高畫框速率執行。對於數位相機，曝光可能為幾十微秒到數分鐘，儘管最長的曝光一般僅適用於CCD相機，而相比CMOS，CCD相機具有較低的暗電流和雜訊。

電子快門：全域對捲簾

全域快門類似於機械快門，因為所有像素都是同時曝光和取樣，然後依次輸出；對於所有像素，光子捕獲都是同時開始和停止。另一方面，捲簾快門依次曝光、取樣並輸出；它暗示了每行圖像是於略為不同的時間取樣。直觀上，捲簾快門上移動物件的圖像發生了畸變；這種影響可透過將觸發閃光燈置於線的整合期重疊時被減到最少。請注意，這在低速下不是問題。為CMOS採用全域快門需要比標準捲簾快門模型更複雜的傳感器架構，因此它們並非在所有的CMOS傳感器上提供 圖 3中顯示了全域和捲簾快門的比較情況。

圖 3: 動態模糊的比較。靜態PCB (A)以及使用連續全局快門(B)與捲簾快門(C)拍攝移動PCB的圖像。

相較於全域和捲簾快門，非同步快門是指像素的觸發曝光。也就是說，相機準備擷取圖像，但它要到收到外部觸發訊號以後才能啟用像素。這與正常恆定畫面更新率相比，正常恆定畫面更新率可被視為快門的內部觸發。

有關數位相機和感測器設定基礎知識的更多信息，包括增益、伽瑪、感興趣區域 (AOI) 等，請閱讀成像電子產品 101：改善成像效果的數位相機設定基礎知識

面掃描與線掃描相機

成像資源指南第10.6部份

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根據應用的要求，系統設計者必須在面掃描與線掃描相機之間做選擇。在面掃描相機中，成像鏡頭將要成像的物件聚焦到傳感器陣列上，並根據像素一次性對圖像進行取樣用於重構 (圖 4a)。若圖像移動速度不快或物件不是特別大，這會很方便。使用線掃描相機，像素則以線性方式排列，並且隨著物件快速通過相機，圖像將逐行拍攝並使用軟體重構 (圖 4b)。

圖 4: 描掃描技巧（左）和線掃描技巧（右）的圖解。

線性陣列能支援比面掃描裝置高得多的分辨率，2500像素為面掃描傳感器的最高典型水平分辨率，而線性裝置中上升到12,000像素也很平常。但是，使用線掃描相機，物件必須相對於相機精確移動來構建圖像，這使整合變得困難許多。表 5中簡要概述了面掃描和線掃描相機。

數碼相機的格式
面掃描	線掃描
4:3 (H:V) 比率（典型）	傳感器為線性
高達數百FPS的高速應用	高速應用 - 線速率高達100khz
物件為靜止或緩慢移動	每次一行建構圖像
更廣泛的應用	物件在傳感器下以運動狀態通過
更輕鬆設定	特適合擷取較寬的物件
比線掃描成本更低	需要特殊的對準和計時
	複雜整合/簡單而強烈的照明

表 5: 比較數位相機格式：面掃描和線掃描。

標準相機/鏡頭安裝接環
C-接環	CS-接環	TFL-接環	F-接環	其他普通接環
螺紋接環	螺紋接環	螺紋接環	Nikon-卡扣式接環（無螺紋）	M12 x 0.5 (S接環)
1英吋直徑，32 TPI（每英吋螺紋數）	1英吋直徑，32 TPI（每英吋螺紋數）)	M35 x 0.5	用於大傳感器鏡頭	M42 x 1.0
17.5mm 鏡後距離	12.5mm 鏡後距離	17.5 mm 鏡後距離	46.5mm 鏡後距離	M72 x 1.0
最普通的接環	與使用5mm間隔環的C接環鏡頭相容(#03-618)	適用於 ⁴⁄₃" 至 APS-C傳感器格式	特適合中片幅線掃描和全片幅(35mm)格式應用
某些短焦距鏡頭不相容	在短焦距/變焦鏡頭上很常見