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如果把工業相機比喻為人的眼睛，工業鏡頭就好比是眼球，它直接關系到監看物體的遠近、范圍和效果。工業鏡頭的選用應考慮一下幾點：
1）工業鏡頭尺寸應等于或大于工業相機成像面尺寸。例如：1/3″工業相機可選1/3″～1″整個范圍內的工業鏡頭，但水平視角的大小都是一樣的。只是使用大于1/3″的工業鏡頭能夠更多地利用成形，更精確了工業鏡頭中心光路，所以可提高圖像質量和分辨率。
2）選用合適的工業鏡頭焦距。焦距越大，監看距離越遠，水平視角越小，監視范圍越窄；焦距越小，監看距離越近，水平視角越大，監視范圍越寬。工業鏡頭焦距可按照以下公式估算。
f=A×L/H
(f--鏡頭焦距；A--攝像機CCD垂向尺寸；L--被攝物體到鏡頭距離；H--被攝物體高度)
格式?1英寸??2/3英寸?1/2英寸?1/3英寸?1/4英寸?
CCD垂向尺寸??9.6㎜??6.6㎜?4.8㎜??3.6㎜?2.7㎜
3）考慮環境光線的變化,光線對圖像的采集效果起著十分重要的作用。一般來說，對于光線變化不明顯的環境，常選用手動光圈鏡頭，將光圈手調到一個比較理想的數值后就可不動了；如果光線變化較大，如室外24小時監看，應選用自動光圈，能夠根據光線的明暗變化自動調節光圈值的大小，保證圖像質量。但需注意的是，如果光線照度不均勻，特別是監視目標與背景光反差較大時，采用自動光圈鏡頭效果不理想。
4）考慮最佳監看范圍。因為工業鏡頭焦距和水平視角成反比，因此既想看得遠，又想看得寬闊和清晰，這是無法同時實現的。每個焦距的鏡頭都只能在一定范圍內達到最佳的監看效果，所以如果監看的距離較遠且范圍較大，最好是增加攝像機的數量，或采用電動變焦鏡頭配合云臺安裝。
5）工業鏡頭接口與工業相機接口要一致。現在的工業相機和工業鏡頭通常都是CS型接口，CS型攝像機可以和CS型、C型鏡頭配接，但和C型鏡頭接配時，必須在工業鏡頭和工業相機之間加接配環，否則可能碰壞CCD成像面的保護玻璃，造成CCD工業相機的損壞。C型工業相機不能和CS型工業鏡頭配接。
近年來利用影像量測物品尺寸已經成為行業發展的趨勢。由于相機，影像軟件及照明組件等設備的進步，讓影像量測物品尺寸的精準度能媲美或更勝于手動或雷射光的量測。
整合光學系統工程的應用，我們可發現光學產品的優劣決定了系統的品質，而遠心鏡頭能執行各種形式的光學量測。
軟件工程需要具高分辨率、高對比性和低幾何變形特性的拍攝影像來判斷出精準的量測數據。
除了光學設備本身的要求，視角的選擇也具相當的重要性，在不適當的觀測點下量測物體，會造成物體拍攝影像的扭曲。
除了影像處理過程中會造成的干擾，系統設計者也同時將光學配備本身會影響光學量測精準性的幾個限制納入考慮：
1．由于物體擺放位置而造成的不正常放大
2．影像的變形
3．視角選擇而造成的誤差
4．低影像分辨率
5．不適當光源干擾下造成邊界的不確定性
遠心鏡頭能有效降低甚至消除以上的問題，因此遠心鏡頭也成為精密光學量測系統決定性的因素。
圖一：不同鏡頭的光學原理
接下來我們簡要的介紹遠心鏡頭是如何有效降低噪聲及變形等問題。
一、放大倍率的一致性
光學量測系統通常會自物體正上方拍攝(不紀錄物體側面)以測量其直徑或直線距離。由于許多機械零組件無法精準定位或具有高度差或厚度等問題，工程師需要可靠光學量測系統來判定影像與物體的實際間距。
左上圖為利用遠心鏡頭拍攝圓柱形零件上的齒條；左下圖為利用普通鏡頭拍攝同樣對象的影像；右上圖為兩個同樣對象置于相距100 mm下利用遠心鏡頭拍的影像；右下圖為同樣情形下利用普通鏡頭捕捉的影像。
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在一般標準鏡頭下，物體的影像大小會因為與鏡頭的距離(標記為“s”)不同而改變。同樣的，不同大小的對象可能會受距離的影響而看起來相同。
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反觀遠心鏡頭能容許一定程度的距離改變，在＂限定景深＂或＂遠心度區間＂內，影像不會因物體與鏡頭間距離的改變而放大或縮小。
此特性是由于在光學系統中，只有與光軸平行的光束會被接收，因此遠心鏡頭必須大于或等于被攝物體的直徑。
“Telecentric”這個單字是來自于希臘前綴”tele-”(遙遠)以及字根”center”(中心，在此代表著光學系統的軸心)，代表此光學系統的入射光線在通過遠心鏡頭時是與鏡頭的中央軸心平行，而成像點會在遠心鏡頭的焦點平面上。
在遠心系統內，唯有與軸心平行或接近平行的光束會被接受。
在此我們舉個簡單的例子來說明兩種光學系統的差異性。
首先我們使用一個焦距為12毫米的標準鏡頭 (f = 12 mm) 及以1/3吋的偵測器為接口來測定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 對象。當對象位移1毫米 (ds = 1mm)時，其成像大小將會有約略0.1毫米的差異(如以下公式)。
dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm
在telecentric光學系統下，成像的大小的變化取決于” telecentric 曲線”，一個高品質遠心鏡頭的曲線角度(theta)能趨近于0.1°(0,0017 rad)，代表當物體同樣移動1毫米 (ds = 1mm) 時，其成像將只會有0.0017毫米的改變。
dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm
因此相較于標準鏡頭，遠心鏡頭能將放大倍率的誤差縮小至1/10或甚至1/100。
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上圖：遠心曲線決定了物體被移動時成像改變的倍率。
“Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在維持放大倍率下能擺設物體的范圍。然而當物體不在telecentric range中并不代表鏡頭功能就不具遠心的特性，影像的變異程度主要是由鏡頭的”遠心曲線” (由前文的” theta”所定出來的) 或 ”遠心度”所決定，這個曲線決定了物體在移動時造成的影像誤差大小，然而當主要入射光束與光軸”平行”時，成像的大小就不會因物體置放的距離而影響。由于遠心鏡頭必須接收與光軸平行的入射光源，遠心鏡頭的尺寸必須比拍攝物體還大，因此遠心鏡頭會比一般鏡頭大且厚重，成本也比一般鏡頭高。
二、低失真度 (Distortion)
影像的變形是限制光學量測準確性的重要因素之一，再好的鏡頭都還是無法避免。然而有時候一或數個像素的錯誤可能具決定性的影響。 失真度也可以說是影像與實際畫面的差異度。失真度是利用影像點與影像中心位置的距離和在標準影像(未失真影像)的實際距離之間的差異來計算。舉例來說，一個與畫面中心距離200像素的標的在影像畫面中只有和中心點間隔198個像素，其失真度則為：
distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%
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正向放射性失真 (Positive radial distortion) 也被稱為 “pincushion” 性失真，負向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另稱為 “barrel” distortion。此類的變形和影像中心的距離大小有絕對的關聯性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion
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影像的失真可被視作真實畫面經過二維幾何性變形的結果，由于通常不是線性改變而是二或三度的多項式的變形，影像會被些許的拉扯及扭曲。
一般的鏡頭具有數度或數十度的失真度，不過由于大部分的影像鏡頭是用在一般監測系統或普通攝影中，些許的影像失真是能被容許的，但此瑕疵讓精密影像測量變的困難。
高品質的遠心鏡頭只具有低于0.1%失真度的特性，雖然這個數次聽起來很小，但在高分辨率的攝影機下仍能造成將近一個像素的誤差。因此許多失真的影像會利用軟件做校正：將校正用圖樣(此圖樣的精密度必須比)置于鏡頭下方拍攝，之后利用軟件計算影像校正公式，將失真影像做校正。由于影像的失真程度與物體和鏡頭的距離有極高的關聯性，因此必須格外留意物體在被攝影時與鏡頭的距離。
除了與遠心鏡頭的距離以外，物體和遠心鏡頭之間必須盡量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”，所謂的梯形性失真(或稱” Keystone” or thin prism effect”) 是另一個影像測量系統中必須克服的問題，如果拍攝物體沒有被放置于中心點，此類的影像通常據非對稱性也很難利用軟件校正。
為一張使用遠心鏡頭所拍攝的不失真影像；中圖為同一個畫面但具放射性變形的影像；右圖為同一個畫面但具有梯形性失真的影像。
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三、視角誤差
使用一般光學鏡頭拍攝非平面物體時，物體的大小會因為距離而改變。因此拍攝管柱形物體時，管柱頂端與底端會成被拍攝成像為同心圓而非同樣的雙圓。而在遠心鏡頭下，圓柱底端則會與柱頂的圓完全重疊。
為一般鏡頭下常見的視角誤差。右圖由遠心鏡頭所拍攝的影像能不會出現此問題。
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這個現象是因為光束路徑的特殊性而造成的，在一般光學鏡頭下，沒有與光軸平行的縱向光束會在感光源件上投射成平行距離，然而只些接收平行光束的遠心鏡頭則不會有同樣的問題。
一般鏡頭通常會將3D物體的立體影像(包括空間距離)轉換成2D影像，而遠心鏡頭只會紀錄2D平面影像而不受物體的立體距離影響，這個特性在影像量測系統中具有極大的優勢。
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一般鏡頭會將光束(鏡頭左邊)的縱向距離投射成平行影像，而遠心鏡頭不會有這種情形
四、高影像分辨率
影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)將影像的對比清晰度量化。
使用不同分辨率鏡頭拍攝USAF test pattern的結果：左圖高分辨率影像，右圖低分辨率影像。
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很多影像系統是利用多個低畫素相機搭配低分辨率的便宜鏡頭，因而只得到非常模糊的影像。而遠心鏡頭的高分辨率讓它能搭配低像素高分辨率的相機而依然得到良好的影像品質。
五、銳利的邊緣影像
影像拍攝時，背景光線常常會讓物體的輪廓變的難以界定(border effects)，主要是因為背景的強光會與物體邊緣的陰影重疊，除此之外，當光線自不同角度投射于物體上時，某些光源被物體反射后仍然被鏡頭所接收(如下圖十一所示)，這種光線常常會被誤判來自物體背后，造成邊緣判定上的誤差，因此當物體具有高度立體特性時容易會出現誤差。
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在一般鏡頭下常見的Border effects能在遠心鏡頭下有明顯的改善
這個問題在遠心鏡頭下能被明顯的改善，當光圈縮的夠小時，只有與光軸平行的光束能通過鏡頭，因此被物體反射的光線就不會被接收，影像的精準性也就能明顯提升。
如果想要更進一步的提升影像的品質，可利用collimated (或稱 “telecentric”) 照明設備搭配遠心鏡頭，在這種配備能讓相機與光源互相配合，讓所有自collimated光源發出的光都能是被鏡頭所接收的平行光束，讓噪聲與曝光時間都能大幅的降低。除此之外，邊緣定位的問題也因光源的控制而有明顯的改善。
Collimated (telecentric)光源設備只提供與光軸接近平行的光束。
一、對工業鏡頭的選擇，我們首先必須確定客戶需求：
?1、視野范圍、光學放大倍數及期望的工作距離：
在選擇工業鏡頭時，會選擇比被測物體視野稍大一點的工業鏡頭，以有利于運動控制。
?2、景深要求：
對于對景深有要求的項目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的工業鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率工業鏡頭。如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端工業鏡頭。
?3、芯片大小和相機接口 ：
例如2/3”工業鏡頭支持最大的工業相機耙面為2/3”,它是不能支持1英寸以上的工業相機。
?4、注意與光源的配合，選配合適的工業鏡頭。
?5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現實的。
二、典型案例：齒輪項目
?1、該項目的基本要求是：檢測齒輪滾軸的安裝質量（缺失）和滾軸的直徑公差200微米。在線檢測速度為2個/秒。
?2、相機的選擇：
客戶需求200um，根據精度 = FOV / Resolution，測量齒輪實際大小 為48mm，加上邊緣寬度，以60mm作為FOV(H)，以此數據算的相機Resolution=FOV(H)/精度=60/0.2=300, 故選擇640*480分辨率,曝光時間至少1/2 S的工業相機。
?3、工業鏡頭的選擇
由于這個項目上對檢測環境沒有特殊要求，人為設定WD=200mm，CCD Size根據相機參數1/4”(對角線長度),乘16轉換為4mm，再根據4:3的比例，勾股定理算出水平的直角邊為3.2mm。根據Focus level/WD=CCD Size / FOV
f=CCD Size*WD/FOV=3.2*200/60=10.6mm，故選擇12mm定焦可滿足需求。
綜上所述選擇640*480分辨率、曝光時間為1/10000 S到30 S的工業相機，12mm定焦CCTV鏡頭。
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產地
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鏡頭類型
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施耐德Schneider?德國?定焦、遠心?
卡爾蔡司Zeiss
?德國?定焦、遠心?
μTron
?日本?定焦、定倍、遠心、連續變倍?
Moritex?日本?定焦、定倍、遠心、連續變倍?
SPACECOM
?日本?百萬像素定焦?
COMPUTAR?日本?百萬像素定焦?
賓得PENTAX
?日本?百萬像素定焦?
騰龍TAMRON?日本?百萬像素定焦?
精工
?日本?百萬像素定焦?
VST
?日本?定焦、定倍、遠心、連續變倍?
KOWA
?日本?
百萬像素定焦
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視清VICO
?日本?
遠心、定倍、定焦、百萬像素定焦
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1、遠心鏡頭運用目的
遠心鏡頭目的就是消除由于被測物體（或CCD芯片）離鏡頭距離的遠近不一致，造成放大倍率不一樣。分為：物方遠心鏡頭、像方遠心鏡頭和雙側遠心鏡頭。物方遠心鏡頭，通過在像方焦平面上放置孔徑光闌，使物方主光線平行于光軸，從而雖然物距改變，但成像位置不變。像方遠心鏡頭，通過在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸，從而雖然CCD芯片的安裝位置有改變，在CCD芯片上投影成像大小不變。雙側遠心鏡頭，則是兼有以上兩種特點，但結構相對復雜。
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Q:遠心鏡頭為何價格高，有何優點？
A: 遠心鏡頭的設計是采Telecentric原理，低失真、無視角誤差，較適合工業上量測應用，所以價位較一般CCTV鏡頭高。遠心鏡頭另有同軸鏡頭設計，提供不同工作距離,不同放大倍率供選擇。
Q: 遠心鏡頭為何低倍率鏡頭價格反而高？
A: 因為Telecentric鏡頭為了要減少失真，讓平行光進入，所以鏡頭設計必須比被照體大，所以低倍率鏡頭通常口徑都很大，所需的鏡片材料成本較高，所以價格較高。
Q: 同軸光鏡頭打同軸光時，中間亮度較亮旁邊整暗，是何原因？如何補救？
A: 因為同軸光鏡頭的投射光線集中于中心5~6㎜左右，如果看的范圍較大，邊緣附近光線較暗，這是低倍率同軸光鏡頭常有的現象。可以外加環形光源來補足光線不夠地方。
Q: 遠心鏡頭可否搭配CCTV用的2倍鏡使用？
A: 可以，但是影像質量變差，所需光強度更強，不建議使用。
Q: 遠心鏡頭規格上，標示鏡頭分解能(解析力)是代表什么意思？
A: 鏡頭解析力的定義是鏡頭能看清楚最小物體邊緣的能力，如果低于此分解能，就無法看清楚了。須另外找解析力更高的鏡頭，如高倍顯微物鏡。
Q: 遠心鏡頭景深為何不能很長？
A: 遠心鏡頭設計時即考慮到景深、倍率、光圈、工作距離等參數取得最佳點，所以景深均為固定的數值，如要增長景深，而犧牲別的參數，會影響鏡頭質量。
Q: 如果要看到1μm的物體可用何種鏡頭？
A: 要看到小于1μm以下物體，必須用高倍顯微物鏡，但工作距離變得很小(約7㎜)，景深變得很淺了。
Q: 用遠心鏡頭所放大的影像到底是多少倍？
A: 影像實總際放大倍率是等于鏡頭光學倍率×Monitor放大倍率，Monitor放大倍率是Monitor對角線除上CCD Sensor對角線(1/3〞CCD Sensor投射到14吋Monitor是59.3倍)。
Q: 遠心鏡頭除了C-mount之外，可否提供其它mount選擇？
A: 除了C-mount之外，還有直徑φ17㎜及直徑φ12㎜二種mount供選擇，這些mount是針對筆型CCD專用的鏡頭。
三、像方遠心光路原理及作用
像方主光線平行于光軸主光線的會聚中心位于物方無限遠，稱之為：像方遠心光路
作用：可以消除像方調焦不準引入的測量誤差，用途：大地測量儀器
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四、雙側遠心光路原理及作用
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綜合了物方/像方遠心的雙重作用。主要用于視覺測量檢測領域。
優勢：
1、大景深；
2、景深范圍內物像倍率不變
3、低畸變通常<1%（全幅畫面）
4、垂直成像時，無投影現象
劣勢：
1、體積大、重量沉，由于平行光路入射，鏡頭的口徑要大于被攝物體
2、焦距固定，變焦困難
3、工作距離相對較短
4、光闌小，需要更強的照明
在設計工業機器視覺系統時，使用工業數字相機還是工業模擬相機是最重要的決定之一。二者各有其優缺點，但歸根結底要根據成本和一些關鍵操作因素來選擇。如果考慮了這些因素，哪一項技術更有優勢就會明朗化了。
機器視覺基礎
機器視覺被應用于自動質量檢驗、工藝控制、參數測量和自動組裝等等許多領域。在這些系統中，相機是決定著成本、速度和精度的關鍵組件。工業模擬相機和工業數字相機都可以用在這些系統中，而了解工業相機的性能規格及其在各種視覺任務中的重要性，對于把機器視覺付諸工業控制是最基本的一步。
機器視覺系統包括三個主要部分：工業相機、采集卡和存儲并分析圖像以提取信息的計算機（或圖像處理器）。圖像處理器和采集卡屬于相對容易選擇的電子裝置，它們的主要參數是存儲能力和處理速度。
工業相機是這些系統中情況最為復雜的部分。現代的工業模擬相機和工業數字相機采用電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片來捕獲圖像并生成電子信號發送給計算機進行處理。
CCD和CMOS成像器由一系列方形光電池組成，它們將收集到的光子轉化為電子，并將生成的電荷積蓄起來。在CCD中，當從芯片中每次讀取一個像素時，電荷被轉換成電壓；而在CMOS中，每個光敏器件旁邊的電路將光能轉化成電壓。
二者在圖像質量上沒有明顯的優劣之分。基于CMOS的工業相機需要的部件較少，電耗較低，提供數據的速度也比基于CCD的相機快； 但CCD則是更為成熟的技術，能夠以較低的噪聲提供質量更好的圖像，而弱點是數據傳輸速度較慢，不太靈活，部件較多和電耗較高。
信號精度
CCD和CMOS芯片在內部都生成模擬信號，因此，模擬相機和數字相機之間的主要區別在于圖像是在哪里被數字化的。數字相機在相機里將信號數字化，并且通過串行總線接口（比如FireWire, USB, Camera Link, Gigabit Ethernet）將信號以數字方式傳輸給計算機（或圖像處理器）。而在另一方面，模擬相機系統并不是在其內部將圖像信號數字化（數字化是由計算機完成的），所以，模擬信息是通過同軸電纜而進行傳輸的。
盡管兩種方法都能夠有效地傳輸信號，但模擬信號可能會由于工廠內其他設備（比如電動機或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高，模擬相機的動態范圍（原始信號與噪聲之比）會降低。動態范圍決定了有多少信息能夠被從相機傳輸給計算機。
數字信號不受電噪聲影響，因此，數字相機的動態范圍更高，能夠向計算機傳輸更精確的信號。數字相機的典型動態范圍在55分貝到60分貝之間，而模擬相機則為45分貝到50分貝左右。
所用電纜的長度和類型也影響著信號的精度。模擬相機的電纜簡單而且便宜，在電噪聲導致信號嚴重失真之前能夠將信號可靠地300米以上。由于數字相機傳輸的是高帶寬信號，電纜的長度受電纜中信號良師衰減（損失）水平的限制。根據使用的通信協議的不同，電纜的典型長度如下：
· FireWire： 大約10米到20米
· USB： 大約10米到 20米
· Camera Link： 大約10米
現在，市場上有了采用千兆位以太網標準電纜的新系統。這些電纜能夠將數字圖像數據傳輸100米左右而不發生損失。
分辨率和捕獲速度
分辨率是描述相機性能的重要參數之一，它包括兩個方面：
· 陣列中傳感單元或稱像素的數量
· 每個傳感單元的大小
模擬相機通常是基于視頻圖形陣列（VGA）成像格式，分辨率被限制在大約640×480像素。這只是機器視覺系統要求的下限。而在另一方面，數字相機能夠達到80兆像素甚至更高。模擬相機和數字相機典型的像素大小在3微米到20微米范圍內。
第二個重要參數是幀速，或者說相機連續提供圖像的速度。幀速越高，在給定時間內能夠完成的檢驗、測量或識別工作就越多。像素數和幀速之間存在著相互影響，所以，相機的像素數越多，其幀速越低。但是，這并非是一成不變的規則，因為尺寸越小的半導體轉換速度通常就越快，所以像素數相同的兩臺相機可能具有差別很大的幀速。
640×480像素模擬相機的典型幀速為每秒30幀，而分辨率為2兆像素（1600×1200像素）的數字相機能夠達到相同的幀速。16兆像素的數字相機幀速約為每秒3幀。
另外，相機傳感器可采用多端口設計，將圖像分解成片段以同時讀出。還可以在軟件的控制下只讀取圖像中“感興趣”的部位而不是讀取全部傳感器陣列，同樣能夠縮短傳輸時間。
其他因素
除了分辨率和幀速，其他重要的設計因素還包括動態范圍和靈敏度。
動態范圍或圖像每個像素的字節數決定著采集卡需要的存儲容量以及圖像處理器需要的算法精度。它也影響著傳感器的曝光寬容度。每像素只有幾個字節的相機將無法像字節數更高的相機那樣滿足很寬的照明條件范圍。一般來說，數字相機的動態范圍指標更好一些，因為它們的抗噪聲性能更好。
傳感器靈敏度也決定著可靠地使用相機所需要的照明條件。在光線不好或者為防止運動圖像模糊而提高快門速度的情況下，要求相機具有更高的靈敏度。
同波長有關的相機靈敏度也許非常重要。根據應用的不同，可能需要采用發光二極管甚至紅外或紫外照明，相機的波長靈敏度也應當匹配。最后，相機生成彩色或者單色圖像的能力也十分重要。
關于總成本的考慮
各個設計參數共同影響著相機的成本。典型情況下，由于傳感器尺寸的原因，像素數越高的相機就越昂貴。與此類似，在一定的分辨率下，幀速提高，成本也趨向于增加。同時提高幀速和分辨率通常要求相機具有多端口讀出，這使系統的復雜程度增加，因而提高了成本。
從上世紀七十年代起，許多供應商都開始提供基于CCD和CMOS技術的模擬相機。典型的價位在200美元左右。模擬相機采集卡的價位也在200美元左右。
相比之下，數字相機的價位在1,000美元到20,000美元范圍內大幅度變化，數字相機采集卡的價位在1,000美元到2,000美元之間。但是，隨著數字相機和采集卡變得越來越普及，它們的價位也在逐漸降低。
在對成本進行比較時，設備的價格還只是問題的一個方面。設計人員還必須考慮軟件、硬件、安裝、維護和升級等方面的成本，還有，給定的相機技術是否能夠達到要求的性能。
完成特定任務所需要的工業相機數量在安裝成本中占到了一定比例。舉例來說，從1毫米見方的檢驗區域中解析出1微米見方的片段，可能需要用到5臺模擬相機和采集卡，而這些制備必須保持同步以獲得清晰的圖像。
只使用1臺百萬像素的工業數字相機和采集卡就可以解析同樣大小的區域，而且無需在計算機中同步處理多幅圖像。例如，一家汽車制造商的保險杠檢驗系統需要12臺模擬相機、12片采集卡12套軟件和3臺計算機。公司發現，就算可能，使所有相機的圖像同步化以獲得一幅保險杠的可靠圖像也是難度相當大的。用1臺百萬像素的數字相機、1片采集卡和1臺計算機取代了這個相機陣列后，系統的安裝和維護都變得十分簡單和方便。
一般來說，典型的數字相機需要更長的時間進行安裝和設定，但對于前述應用實例而言，需要的數字相機數量大為減少。因此，維護成本也將大幅度降低。另外，數字相機的功能性和靈活性都更強，能夠快速重新編程，在系統運行過程中即可進行現場固件升級。而相比之下，模擬相機則必須被送回制造廠才能進行性能升級。
最后一項成本因素是功率消耗。典型的模擬相機需要5瓦到10瓦操作功率，而分辨率指標相當的數字相機則不到1瓦。
應用要求
對于一項應用，選擇什么樣的工業相機合適，取決于機器視覺系統想要達到什么目標。視覺檢驗、非接觸式測量、物體識別和定位是三個常見的應用，每一個都有不同的要求。
典型的檢驗系統將圖像同模板或者“已知合格品”圖像進行對比以檢查偏差。高質量的圖像一般需要用圖像處理器來進行可靠的對比。這意味著，工業相機必須同時具有高分辨率和每像素足夠的字節數。可能也需要彩色成像能力。
非接觸式測量計算一個物體占據的像素數量，并將計數結果轉化成尺寸數值。這樣的系統可能需要高分辨率，而每像素的字節數要求可能不必太高。圖像處理器通常只提取圖像的邊緣或外形輪廓信息，所以，一般并沒有很高的動態范圍和彩色能力要求。
物體識別和定位有各種各樣的要求。在許多情況下，圖像處理系統在圖像中搜尋以識別出基準特征。需要的分辨率取決于這些特征相對于整個圖像尺寸的大小。識別系統可能會需要彩色成像能力。
為機器視覺系統選擇相機時要認真考慮工業相機的性能和成本。雖然工業模擬相機遠比工業數字相機便宜，但它們的分辨率和圖像質量較低，所以可能會被局限在要求不太高的應用中。數字相機比模擬相機昂貴，但它們的高成本可能值得為要求高速度、高準確度和高精度的應用而付出。
四種工業相機接口技術的比較
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GigE
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Firewire
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USB
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Camera Link
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標準類型
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Commercial
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Consumer
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Consumer
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Commercial
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連接方式
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點對點或LAN link
(Cat 5 TP - RJ45)
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點對點
– 共享總線
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主/從
– 共享總線
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點對點
– (MDR 26 pin)
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帶寬
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<1000Mb/s
連續模式
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<400Mb/s
連續模式
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<12Mb/s USB1 <480Mb/s USB2 突發模式
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<2380Mb/s (base) <7140Mb/s (full)
連續模式
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距離:
-max w/switch
-max w/fiber
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<100m(no switch)
No Limit
No Limit
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<4.5m
72m
200m
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<5m
30m
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<10m
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可連接設備數量
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Unlimited
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63
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127
?
1
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PC Interface
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GigE NIC
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PCI card
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PCI card
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PCI Frame grabber
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1、模擬相機&&數字相機
模擬相機必須帶數字采集卡，標準的模擬相機分辨率很低，另外幀率也是固定的。這個要根據實際需求來選擇。另外模擬相機采集到的是模擬信號，經數字采集卡轉換為數字信號進行傳輸存儲。模擬信號可能會由于工廠內其他設備（比如電動機或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高，模擬相機的動態范圍（原始信號與噪聲之比）會降低。動態范圍決定了有多少信息能夠被從相機傳輸給計算機。數字相機采集到的是數字信號，數字信號不受電噪聲影響，因此，數字相機的動態范圍更高，能夠向計算機傳輸更精確的信號。
2、相機分辨率
根據系統的需求來選擇相機分辨率的大小，下面以一個應用案例來分析。
應用案例：假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機的最低分辨率應該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬像素的相機，也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話，那么最低分辨率必須不少于120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機，因此一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是，如果一個像素對應一個缺陷的話，那么這樣的系統一定會極不穩定，因為隨便的一個干擾像素點都可能被誤認為缺陷，所以我們為了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少于300萬像素，通常采用300萬像素的相機為最佳(我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點幾的亞像素，那么就不用這么高分辨率的相機了。比如他們說如果做到0.1個像素，就是一個缺陷對應0.1個像素，缺陷的大小是由像素點個數來計算的，試問0.1個像素的面積怎么來表示？這些人以亞像素來忽悠人，往往說明了他們的沒有常識性)。換言之，我們僅僅是用來做測量用，那么采用亞像素算法，130萬像素的相機也能基本上滿足需求，但有時因為邊緣清晰度的影響，在提取邊緣的時候，隨便偏移一個像素，那么精度就受到了極大的影響。故我們選擇300萬的相機的話，還可以允許提取的邊緣偏離3個像素左右，這就很好的保證了測量的精度。
3、CCD&CMOS
如果要求拍攝的物體是運動的，要處理的對象也是實時運動的物體，那么當然選擇CCD芯片的相機為最適宜。但有的廠商生產的CMOS相機如果采用幀曝光的方式的話，也可以當作CCD來使用的。又假如物體運動的速度很慢，在我們設定的相機曝光時間范圍內，物體運動的距離很小，換算成像素大小也就在一兩個像素內，那么選擇CMOS相機也是合適的。因為在曝光時間內，一兩個像素的偏差人眼根本看不出來(如果不是做測量用的話)，但超過2個像素的偏差，物體拍出來的圖像就有拖影，這樣就不能選擇CMOS相機了。
4、彩色&黑白
如果要處理的是與圖像顏色有關，那當然是采用彩色相機，否則建議你用黑白的，因為黑白的同樣分辨率的相機，精度比彩色高，尤其是在看圖像邊緣的時候，黑白的效果更好。
5、幀率
根據要檢測的速度，選擇相機的幀率一定要大于或等于檢測速度，等于的情況就是你處理圖像的時間一定要快，一定要在相機的曝光和傳輸的時間內完成。
6、線陣&面陣
對于檢測精度要求很高，面陣相機的分辨率達不到要求的情況下，當然線陣相機是必然的一個選擇。
7、傳輸接口
根據傳輸的距離、穩定性、傳輸的數據大小（帶寬）選擇USB、1394、Camerlink、百兆/千兆網接口的相機。
8、CCD靶面
靶面尺寸的大小會影響到鏡頭焦距的長短，在相同視角下，靶面尺寸越大，焦距越長。在選擇相機時，特別是對拍攝角度有比較嚴格要求的時候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。因此在選擇CCD尺寸時，要結合鏡頭的焦距、視場角一起選擇，一般而言，選擇CCD靶面要結合物理安裝的空間來決定鏡頭的工作距離是否在安裝空間范圍內，要求鏡頭的尺寸一定要大于或等于相機的靶面尺寸。
9、相機的價格
同樣參數的相機，不同的廠家價格各不相同，這就靠大家與廠家溝通和協商了。一般說來，如果你有量的話，整體價格跟你單買一個的價格是差別很大的。
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工業相機到傳感器對應放大倍率
工業相機像幅
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傳感器尺寸( 對角線 )
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9’’
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20’’
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1/3’’
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1/2’’
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1’’
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14.3x
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42.9x
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1. 什么是CCD攝像機？
CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。
2. CCD攝像機的工作方式
被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。
3. 分辨率的選擇
評估攝像機分辨率的指標是水平分辨率，其單位為線對，即成像后可以分辨的黑白線對的數目。常用的黑白攝像機的分辨率一般為380-600，彩色為380-480，其數值越大成像越清晰。一般的監視場合，用400線左右的黑白攝像機就可以滿足要求。而對于醫療、圖像處理等特殊場合，用600線的攝像機能得到更清晰的圖像。
4. 成像靈敏度
通常用最低環境照度要求來表明攝像機靈敏度，黑白攝像機的靈敏度大約是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色攝像機多在1Lux以上。0.1Lux的攝像機用于普通的監視場合；在夜間使用或環境光線較弱時，推薦使用0.02Lux的攝像機。與近紅外燈配合使用時， 也必須使用低照度的攝像機。另外攝像的靈敏度還與鏡頭有關，0.97Lux/F0.75相當于2.5Lux/F1.2相當于3.4Lux/F1.
5. 參考環境照度：
夏日陽光下 100000Lux 陰天室外 10000Lux
電視臺演播室 1000Lux 距60W臺燈60cm桌面 300Lux
室內日光燈 100Lux 黃昏室內 10Lux
20cm處燭光 10-15Lux 夜間路燈 0.1Lux
6. 電子快門
電子快門的時間在1/50-1/100000秒之間， 攝像機的電子快門一般設置為自動電子快門方式，可根據環境的亮暗自動調節快門時間，得到清晰的圖像。有些攝像機允許用戶自行手動調節快門時間，以適應某些特殊應用場合。
7. 外同步與外觸發
外同步是指不同的視頻設備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可保證不同的設備輸出的視頻信號具有相同的幀、行的起止時間。為了實現外同步，需要給攝像機輸入一個復合同步信號(C-sync)或復合視頻信號。外同步并不能保證用戶從指定時刻得到完整的連續的一幀圖像，要實現這種功能，必須使用一些特殊的具有外觸發功能的攝像機。
8. 光譜響應特性
CCD器件由硅材料制成，對近紅外比較敏感，光譜響應可延伸至1.0um左右。其響應峰值為綠光(550nm)。夜間隱蔽監視時，可以用近紅外燈照明，人眼看不清環境情況，在監視器上卻可以清晰成像。由于CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD對紫外不敏感。彩色攝像機的成像單元上有紅、綠、蘭三色濾光條，所以彩色攝像機對紅外、紫外均不敏感。
9. CCD芯片的尺寸
CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等， 成像尺寸越小的攝像機的體積可以做得更小些。在相同學鏡頭下，成像尺寸越大，視場角越大。
機器視覺系統是指通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分為CMOS攝像頭和CCD攝像頭兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。
在機器視覺系統中，包含獨立的工業攝像頭，采用業界標準的電氣接口，如火線IEEE1394接口攝像頭、USB接口攝像頭或千兆以太網GigE攝像頭(GigE Vision interface)等。機器視覺攝像頭的典型應用可分為離線處理功能的攝像頭和在線處理功能的攝像頭。
離線處理功能的攝像頭可單獨對攝像頭供電，并可通過電氣接口將原始數據傳送至主機。視頻傳輸既可以是連續幀，也可以是單幀數據，具體取決于應用的需要。單幀捕獲與視頻傳輸被稱作觸發模式，需要外部系統通常以CMOS級向攝像頭系統發送電子脈沖。攝像頭邏輯將啟動一個幀集成，并通過電氣接口將掃描的數據發送至主機。在某些情況下，原始數據通過總線與同步信號、時鐘和數據一起發送給幀接收器等終端數據采集系統。幀接收器在存儲器中存儲數據，隨后可由主機應用軟件對數據進行存取以處理和控制。
離線處理的一大優勢在于，單靠一個主機就能滿足攝像頭操控與系統控制兩者之需。但是由于視頻數據從攝像頭每幀傳輸存在一定的延遲，因此這種處理方式不適用于實時處理的應用，比如器件生產過程中傳送帶上的產品檢查。
由于近來DSP處理器發展非常快，已經具備實時執行復雜算法的計算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。在線處理功能的攝像頭包括感應器與DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應器掃描的視頻直接發送至DSP 存儲器，并進行逐幀處理。控制函數的最終結果由處理器在被控制的系統中直接啟動，或在主機上作為命令啟動。
在線處理功能的攝像頭進行視頻處理的優勢在于，數據處理可實時進行，而且在火線、USB 或千兆以太網接口上沒有分組處理的負擔。可采用字節優化型匯編代碼，在時鐘頻率超過300 MHz的DSP處理器上加快實時處理速度。
圖像算法的實時處理對檢查應用至關重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成并采取相應行動后，才可以繼續向系統傳輸下一個圖像幀。
在實際應用中，應依據具體的應用環境來選擇攝像頭，不管是離線處理功能的攝像頭還是在線處理功能的攝像頭，都具有各自的技術特點，選擇合適合理的攝像頭才能更好的體現出機器視覺系統的優越性。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補式金屬氧化物半導體的英文縮寫，它將NMOS和PMOS二個相反極性的MOS半導體串起來，形成了集成電路中廣泛使用的一個基本單元。例如計算機中用量最大的內存——動態存儲器，就是用CMOS工藝制造的。
CMOS的攝像機并不比CCD攝像機出現的時間晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相繼開發出來，后來之所以CCD占了統治地位，是因為在當時的工藝制造技術條件下，CMOS的圖像質量太差了。直至1990年，新工藝的發展，使開發人員再一次對CMOS產生了興趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整個攝像機集成在一片晶體內)、低制造成本(基于不需重新建立新的生產線，可以在已有的主流的邏輯和存儲器CMOS流水線中進行)。經過大量的投入和努力，CMOS攝像機在近幾年已獲得了極大的成功，已形成了對CCD的強大挑戰。形成了CCD和CMOS二個激烈競爭的發展方向和陣營。
在過去，CMOS圖像傳感器給人的印象是低端產品，例如商務用傳真機、復印機、掃描儀，到今日，以娛樂為主的攝像機、手機拍攝組件，直至大紫大紅的網上攝像機也多為CMOS傳感器。同時，CMOS攝像機在圖像質量上已取得長足的進步，即使在對圖像質量要求較高的投影儀上也獲得了使用。
無論是CMOS還是CCD，它們都是用光敏像元陣列將入射的光圖像轉換成像元內的電荷，所不同的是將這些像元中的電荷取出，并轉換成電壓的方式和途徑不同。CCD是用電荷量來載荷圖像信息的，而CMOS是用電壓量來載荷圖像信息的。
CMOS和CCD的工作過程如下圖所示，從圖可以看出，CCD像元將光轉換為電荷后，用電荷耦合的方法，將電荷逐點、逐行地用電荷移位寄存器移出，直至電荷/電壓轉換器，圖像信息用電荷的形式在芯片內移動輸出；而CMOS則以完全不同的方式將圖像信息送出像元陣列，從圖(b)可以看出，每一個像元光敏單元都有一個電荷/電壓轉換單元與之相伴，所以像元電荷馬上轉換成為電壓，再通過與之對應的矩陣開關，將電壓送出陣列，所以CMOS的圖像信息是以電壓的形式傳送輸出的。由于這種完全不同的結構，為它們帶來了各自的長處和短處。
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CCD和CMOS工作過程示意圖
CMOS攝像機有超強的集成度、低功耗和小尺寸的優勢；但在圖像質量，特別在低照度下和靈活性方面就要遜色多了。所以CMOS適合于批量大、有空間和重量限制，而圖像質量要求不是太高的領域，例如保安、生物測量儀等領域使用，包括機器視覺系統中對圖像質量要求不嚴的場合，例如數字或文學識別、易區分的缺陷檢測、簡單物體幾何分類、簡單場景自動導航等等。
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機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。
由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。而且機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。
半導體行業是最先利用機器視覺技術進行檢測的行業，其他行業也隨之而來。作為生產機械的OEM的設計工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測這個部件還是整個這個產品”。檢測可以得到高質量的產品，但是也會有這樣的事實存在：檢測成本或者產品質量要求并不需要這樣的檢測。比如說牙簽，假設在一個裝有500個牙簽的盒子里有一兩個不合格，大多數人都不會怎么擔心。但是對于很多產品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會帶來什么樣的后果，所以產品功能性的檢測都是不可缺少的，即使只是外觀檢測，要證明內在的品質也必須要做到無缺陷。因此，為了達到這個目的，許多OEM將機器視覺應用到他們將要賣給用戶的系統中。機器視覺能夠為整個系統增值，表現在三個方面：提高生產效率，提高制造過程的精確性，減少成本。
那么，對于一個設計工程師來說，怎么樣才能知道機器視覺是否適合他的系統呢？盡管最早的最基本的機器視覺系統在20世紀70年代引入，工業就將其視為主流應用。這就導致設計工程師要考慮它是否合適他們的應用，同時要考慮利用機器視覺檢測的成本與其所能帶來的利潤。
高復雜度產品行業，比如說半導體行業和電子行業，由于它們的復雜性和小型化，從傳統上推動著機器視覺市場的發展。但是如今，所有產業，包括自動化、制藥、造紙等等都依靠機器視覺系統檢測產品以提高產品質量。工業專家們預言：在未來的20年到50年，機器視覺將成為橫跨所有行業的通用性技術，幾乎所有出產的產品都會由機器視覺系統來檢測。
使用機器視覺系統有以下五個主要原因：
精確性——由于人眼有物理條件的限制，在精確性上機器有明顯的優點。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測產品，機器仍然會更加精確，因為它的精度能夠達到千分之一英寸。
重復性——機器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測產品時都會有細微的不同，即使產品時完全相同的。
速度——機器能夠更快的檢測產品。特別是當檢測高速運動的物體時，比如說生產線上，機器能夠提高生產效率。
客觀性——人眼檢測還有一個致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結果會隨工人心情的好壞產生變化，而機器沒有喜怒哀樂，檢測的結果自然非常可觀可靠。
成本——由于機器比人快，一臺自動檢測機器能夠承擔好幾個人的任務。而且機器不需要停頓、不會生病、能夠連續工作，所以能夠極大的提高生產效率。
一旦工程師決定使用機器視覺系統，就需要建立這個系統。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、工業鏡頭、工業相機、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術支持。由于大多數廠商在這個領域都沒有經驗，機會來了。所以，尋找一個既了解核心技術又能為其提供系統所需產品的供應商就成為關鍵問題。
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圖1.1.1 基于PC的視覺系統基本組成
典型的基于PC的視覺系統通常由如圖1.1.1所示的幾部分組成：
①工業相機與工業鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統都是由一套或者多套這樣的成像系統組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數據。根據應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
③傳感器——通常以光纖開關、接近開關等的形式出現，用以判斷被測對象的位置和狀態，告知圖像傳感器進行正確的采集。
④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機輸出的圖像輸送給電腦主機。它將來自相機的模擬或數字信號轉換成一定格式的圖像數據流，同時它可以控制相機的一些參數，比如觸發信號，曝光/積分時間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結構以針對不同類型的相機，同時也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。
⑤PC平臺——電腦是一個PC式視覺系統的核心，在這里完成圖像數據的處理和絕大部分的控制邏輯，對于檢測類型的應用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時間。同時，為了減少工業現場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業級的電腦。
⑥視覺處理軟件——機器視覺軟件用來完成輸入的圖像數據的處理，然后通過一定的運算得出結果，這個輸出的結果可能是PASS/FAIL信號、坐標位置、字符串等。常見的機器視覺軟件以C/C++圖像庫，ActiveX控件，圖形式編程環境等形式出現，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測，BGA檢測，模版對準等），也可以是通用目的的（包括定位、測量、條碼/字符識別、斑點檢測等）。
⑦控制單元（包含I/O、運動控制、電平轉化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監控），緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產過程的控制。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對復雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現必要的動作。
工商網監
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