相機選擇 - 我要怎麼找到最適合我的影像處理系統的相機？

陷入選擇困難了嗎？

在面對設定影像處理系統的挑戰時，你可能會陷入選擇困難：相機型號、各種相關特性、有用功能，以及可行應用等，真是琳瑯滿目，不知從何選起。

你現在最需要的就是指引。你需要有人能指點迷津，讓你的決策直接抵達終點，為你的視覺應用選出最適合的相機。

一起來逐步探討所有相關選擇條件。這會讓你一個一個做出正確決定，選出最符合所需的設備。

先從簡明自我評估開始。先問自己兩個問題：

• 我要用相機看到什麼？

• 我的相機必須具備哪些特性，才能精確提供所需？

這兩個問題的答案，通常可以作為很好的初步指引，導向兩個方向其中之一：

網路相機錄製影片。這類相機常用在傳統監控應用，也與工業相機結合共同使用。一些典型的特色包括：

• 通常安裝在堅固的外殻內，以抵抗震動與惡劣天候，使其適於室內或室外使用。

• 各種功能如日間/夜間模式，以及特殊紅外線濾鏡，即使在極端不良的照明與天候下，也能帶來優異的影像品質。

• 錄下的影像會進行壓縮。藉以將資料量降低到可儲存於相機內的程度。連線網路後，理論上就可讓無限多名用戶進行存取。

工業相機，相對的，

• 將影像當成未經壓縮的（「原始」）資料直接傳輸到電腦，接著由電腦負責處理相對較大量的資料。這種方式的好處是不會損失影像資訊。

• 工業相機包括兩種技術：面掃瞄與線掃瞄相機。兩者擷取影像的方式不同，與其對應的視覺應用類型有關。

決定 #2：黑白或彩色相機？

‍通常回答一個問題就能相當簡單做出決定：應用需要什麼樣的影像？需要彩色評估結果或黑白已足夠？如果彩色不是必須，黑白相機通常會是更好的選擇，因為黑白相機更為敏銳，能傳輸更細緻的影像。以智慧交通系統為例，許多應用結合彩色相機與黑白相機，目的通常是為了符合國家特定法律對影像證據的要求。

決定 #3：感光元件、快門技術、取像速度

這個步驟包括選擇合適的感光元件、採用 CMOS 或 CCD 感光元件技術、選擇快門技術類型：全域快門或滾動快門。下一個考量因素是取像速度，也就是相機每秒內可以順暢處理的畫面張數。

離題一下：CCD 還是 CMOS？

兩種感光元件的基本差異在於其技術結構。

CMOS 晶片內，用以將光線 (嚴格來說應是光子) 轉換成電子訊號的電路，是直接整合在感光元件的表面上。因此 CMOS 可以更快速地讀取影像資料，其速度特別快，使用者可以更靈活的對影像範圍進行定址。CMOS 感光元件大量使用於消費市場中，例如單眼相機。

CCD 感光元件使用整個感光元件表面來擷取光，感光元件表面上沒有轉換電路。這讓表面上有更多空間可放置畫素，因此能捕捉更多光線。這類型的感光元件感光特別靈敏，對於天文學等低照度應用來說有很大的好處。CCD 感光元件在速度較慢的應用中可帶來出眾的影像品質，但其架構與其傳輸、處理資料的方式愈來愈接近其速限。

近年來，CMOS 技術的進步一日千里，使其幾乎可適用於任何影像處理應用。CMOS 感光元件帶來

• 強大的性能價值

• 高取像速度

• 高解析度

• 低耗電

• 強大的光電效率

這使 CMOS 感光元件在過去由 CCD 感光元件稱霸的市場中取得一席之地。當今世代的 CMOS 感光元件，還有個特別的賣點，就是具備高取像速度但不減損影像品質。

快門技術

這裡有個簡單但重要的要求：快門必須符合應用所需。在相機中，快門負責保護感光元件不受入射光影響，僅在曝光時開啟。所選的曝光時間提供正確「劑量」的光，並決定快門要開啟多久。全域快門和滾動快門的差別在於曝光方式的不同。

‍取像速度

對線掃描相機來說，幀率與「取像速度」、「每秒幀數」、「fps」、「線速度」、「線頻率」等用語同義。幀率是指感光元件每秒能擷取並傳輸的幀數。

‍幀率愈高，感光元件速度就愈快。=> 感光元件速度愈快，每秒能擷取的幀數就愈多。=> ‍幀數愈多，資料量就愈大。

決定 #4：解析度、感光元件、畫素尺寸

解析度

如果查看相機規格，發現「2048 x 1088」，究竟是指什麼意思？此規格說明每行的畫素數。在本例中是指水平線為 2048 畫素，垂直線為 1088 ‍畫素，兩者相乘後的結果為解析度 2,228,224‍ 畫素，或 220 萬畫素（MP 代表百萬畫素）。如果想查明應用所需的解析度，有道簡單的計算公式可利用：解析度 =（物體大小）/（要檢查的細節大小）

假設你需要擷取一個大約兩米高，站在特定位置的人，其眼睛顏色的精確影像：

解析度 = 身高/(眼部細節大小) = (2,000 mm)/(1 mm) = x 軸與 y 軸各 2,000 px = 4 MP

>‍如果要清楚辨識 1 mm 大小的細節，所需的解析度為四百萬畫素。

感光元件與畫素尺寸

‍事實一：

先從簡單的部分開始講起：較大的感光元件和較大的畫素表面能夠捕捉較多的光。光就是感光元件用以產生並處理影像資料的訊號來源。目前為止都很簡單。現在開始要注意了：可用的表面愈大，訊噪比 (SNR) 就愈好，特別是畫素大小為 3.5 µm‍ 以上者。較高的 SNR 表示較好的影像品質。42 dB 的 SNR 值是很好的表現。

‍事實二：

大型感光元件就有更大空間，可容納更多畫素，帶來更高解析度。在此真正的好處是個別畫素仍然夠大，以確保良好的 SNR，而較小的感光元件只提供較小的空間，因此必須使用較小的畫素。

‍事實三：

‍然而，除非有正確的光學元件，否則大型感光元件和大量的大型畫素成效上也會受限，只有搭配合適且具備高水準解析度的鏡頭，才能發揮所有的潛力。

事實四：

大型感光元件通常成本也愈高，因為要有更大空間，就要使用更多的矽。

介面

介面在相機和電腦間扮演中間的橋樑，將影像資料自硬體 (相機感光元件) 傳送到軟體 (用來處理影像的元件)。幫你的應用找到最合適的介面，就是在衡量一系列不同因素後，找到效能、成本、可靠度之間的最佳平衡點。

GigE Vision、USB3 Vision與Camera Link是當代廣泛使用的技術標準，保證相機介面和遵循標準的元件與配件之間的相容性。每種技術都設計用以滿足和頻寬、多相機設定、纜線長度等的特定需求組合。

FireWire與USB 2.0是較舊的技術，因其限制而不再毫無保留地推薦用於當代影像處理系統。

相機外坄的大小，直接和所選擇的介面相關。這對於視覺系統的全面整合相當重要。在相機一個接一個安裝的應用中 (例如多相機設定) 以更完整記錄材料網的整個寬度時，每一公釐的空間都不能浪費。

以 Basler 為例，可用機型的組合，自 Basler ace 的 29 mm x 29 mm ，到具備大型 (線掃瞄) 感光元件的大尺寸單一相機如 Basler sprint 系列。

決定 #6：實用的相機功能

所有 Basler 相機都附有一系列核心實用功能，以強化影像品質，可更有效地評估影像資料，或是更精確地控制流程。查看我們的功能檢核清單，了解各種相機機型的完整功能。

在設計你的影像處理系統時，你多半會遇到這三項功能：

AOI (關注區域)

此功能可用來在畫面中選擇個別的關注區域，或是同時有多個 AOI。好處是整個畫面中，只有這些區域需要處理並進行評估，因此可以加快相機資料的讀取速度。

自動化功能

Basler 相機提供一系列的自動化功能，例如自動曝光調整與自動增益。在變動的照明條件下，可以自動適應並調整曝光時間與增益參數，這兩項自動化功能讓影像亮度維持永久一致。

定序器

定序器用於讀取特定的影像順序。亦即像是 AOI 可以透過程式設定，然後自動透過定序器來循序讀取。

必須參考 EMVA 資料

為特定應用選擇相機時，要用哪些標準來選，這問題存在已久；歐洲機器視覺協會 (EMVA) 也已將之列入考慮。結果就是 EMVA 1288 標準。該標準定義了資料決定的方式，用於衡量工業相機或相機內感光元件的影像品質與感光度。

在選擇適用機型時，比較相機的 EMVA 資料是很重要的。只有 EMVA 資料可以顯示相機的能力，或是有多適合。

不過 EMVA 資料並不能完全顯現和感光元件設計有關的問題。其中一個例子是所謂的快門線，這是一種影像偽影。肉眼可以立即看出這個問題，但不會影響 EMVA 數值。另一個範例是個會在不同時間發生的錯誤，像是缺陷或閃爍畫素。

使用樣品相機來進行完整測試，對用戶會有很大幫助。這類測試的重點是要詳細評估相機，並盡可能接近應用的環境或工作。並不是所有的演算法，對影像品質問題都一樣反應敏銳。在每種情況下，如果可以依循可靠的影像品質標準，就會很有幫助；而只有大型品牌製造商才能提供。這會讓你自己的應用省下測試時間和麻煩的最佳化過程。

附帶一提：韌體功能和資料傳輸高穩定性

相機的韌體和軟體有所不同，因此具備相同感光元件的相機也可能表現大有不同。在此情況下，符合 GenICam‍ 等標準（「處置」相機）十分重要，也必須符合 GigE Vision 和 USB3 Vision 介面標準。前述標準對相機的通訊頻道和介面進行規範與定義，降低整合需投入的心力之外，也提供可靠的資料傳輸品質。

在韌體和相關軟體的效率方面，也可能存有各種差異。首先是和相機整合工作相關的項目：並非每家相機製造商都能提供成熟的軟體與驅動程式環境，以控制相機，或是提供成熟的程式編輯環境 (相容於多種作業系統與程式語言)。然而對任何主流設計來說，這些是絕對必須的。

資料的穩定性也各有不同。例如，如果相機韌體為一台影像暫存器而設計，就會明顯提升資料穩定性，特別是具備高頻寬/取像速度。

標準化或專屬功能，很大程度可以提高視覺系統的性能；有些功能則可以從相同的感光元件中獲得更佳結果。