如何挑选合适的相机？

面对选择相机的迫切需求，机器视觉工程师需关注以下几个关键问题：

首先，明确系统的精度要求和相机的分辨率。这可以通过以下公式计算：X方向系统精度（X方向像素值）= 视野范围（X方向）/ CCD芯片像素数量（X方向）；Y方向系统精度（Y方向像素值）= 视野范围（Y方向）/ CCD芯片像素数量（Y方向）。

需要注意的是，理论像素值的确定应综合考虑系统精度和亚像素方法。然后，了解系统速度要求与相机成像速度，系统单次运行速度=系统成像（包括传输）速度+系统检测速度。尽管系统成像速度可以通过相机异步触发功能、快门速度等理论计算得出，但最佳方式是通过软件进行实际测试。

接下来，考虑相机与图像采集卡的匹配，这包括以下几个方面：

1. 视频信号匹配：对于黑白模拟信号相机，有CCIR和RS170(EIA)两种格式，大多数采集卡都支持这两种相机。

2. 分辨率匹配：每款板卡只支持特定分辨率范围内的相机。

3. 特殊功能匹配：若要使用相机的特殊功能，需确认采集卡是否支持，例如，多通道支持或多通道逐行扫描。

4. 接口匹配：确认相机与板卡的接口是否兼容，如CameraLink、Firewire1394等。

最后，比较价格。

什么是亚像素？

分辨率通常用来描述CCD芯片上的行列数。实际上，CCD芯片是一个抽样器件，其最大抽样率由抽样定律决定，即抽样率必须高于奈奎斯特频率的2倍。

抽样理论在一维时间信号中得到了广泛应用，但并未完全应用于CCD芯片的信号采样。通过亚像素算术可以提高CCD芯片的抽样率，即将一个像素视为由亚像素组成的子图像。通常，我们能够处理亚分辨率为10×10亚像素的图像。一个典型的例子是确定一个斑点的重心。由于积分特性，原始像素位置误差与其本身输出相同。在灰度级的一维图像中，若转折点恰好位于像素边界，则可以精确确定轮廓点的位置。然而，实际情况中转折点可能并不在理想级别，无法准确判断芯片上转折点剪切像素的位置。更重要的是，模糊的灰度级存在灰度级差值，这使得我们可以确定亚像素位置作为灰度级的函数。不过，亚像素算法的精确性取决于能否将CCD芯片内的模拟图像尽可能精确地映射到图像处理单元的内存中。

至于12位相机，其理论上的动态范围是8位相机的16倍。8位相机最多能检测256个灰度级，而12位相机则有4096个灰度级。由于相机是数字的，不需要精确到213.5625或214这样的数值。如果需要检测213和214之间的灰度级，8位相机的表现会不佳，这时就需要使用12位相机，它提供了更宽的动态范围，同时保持了与8位相机相当的数据量。

CMOS相机与CCD相机的主要区别如下：

1. CCD传感器对光更敏感，通常比CMOS相机具有更高的填充因子。采用微透镜技术的CCD可达到100%的填充比，而CMOS的填充比一般在70%左右。

2. CCD传感器更适合低对比度环境，因为它们可以获得更高的信噪比。

3. CMOS传感器能提供更高的图像传输速度，适用于高速场景。

4. CMOS传感器因其电路结构特性，提供了比CCD传感器更多的输出灵活性，允许选择任意子兴趣区域以提升图像传输速度。

5. CMOS传感器消耗的电能更低，更适合便携设备和空间应用。然而，随着技术进步，两者在同档次相机上的差异正逐渐缩小，选择哪种传感器主要应根据适用原则来决定。

CCD是一种数字器件。它将光信号转换为电信号，经过处理后转换为数字信号，从而实现图像的数字化处理。尽管CCD与其他众多数字设备一样依赖时钟，但其光信号的采集和输出是以模拟方式进行的。输入CCD的时钟主要用于将电荷从光敏元件传输到输出放大器。输出的信号是模拟的，需要转换为数字信号才能被计算机处理。

模拟输出相机与数字输出相机有何不同？

模拟相机的视频输出采用模拟电信号来传输视频信号，这类相机常用于闭路电视系统，或与数字化视频波形采集卡相连接。数字相机内置A/D转换器，数据以数字形式传输，可直接在电脑或电视屏幕上显示，因此数字输出相机可以避免在传输过程中的图像衰减或噪声。

我应该选择哪种输出接口的相机？

选择输出接口类型主要取决于您需要的数据类型。如果您的图像输出直接连接到视频监视器，那么您只需要模拟输出的相机（对于单色图像需求，可以选择CCIR或RS-170制式输出；对于彩色图像需求，则选择PAL或NTSC制式输出）。如果您需要将相机获取的图像传输到电脑，那么有多种输出接口可供选择，但必须与采集卡的接口相匹配：

1) 模拟接口依然适用，图像信号需要通过图像采集卡完成A/D转换，这种搭配价格最低，因此是最常见的。

2) 对于一些没有其他采集卡控制需求和图像传输可靠性需求的应用，采用直连的USB2.0接口和IEEE1394（FireWire）最为方便。

3) Camera Link接口是一种数字输出标准，需要配合采集卡使用，适用于高性能的面扫描相机或线扫描相机。随着该数字接口的推广和完善，其价格已不再像预期的那样昂贵。

4) 此外，还有一些较老的数字接口仍在使用，例如LVDS和RS644。

什么是垂直同步、彩色视频复合信号同步、外同步、直流线锁定和完全同步？

这些都是摄像机之间不同的同步方法。完全同步是用于精密应用（如广播摄影棚摄像机）的最佳同步方式，它同步水平、垂直、偶数/奇数区域、色彩触发频率和阶段。垂直同步是最简单的同步方法，通过垂直驱动频率来保证视频能够在老式的切换期或四分割机器上显示，在同一个监视器上展示多个影像源。垂直驱动信号通常由20/16.7毫秒（50/60赫兹）重复频率和1~3毫秒宽度的脉冲组成。彩色视频复合信号代表视频和彩色触发信号，意味着摄像机可以与外部的复合彩色视频信号同步。尽管被称为彩色视频复合信号同步，实际上它仅执行水平同步和垂直同步，并不包括色彩触发同步。外同步与彩色视频复合信号同步非常相似。一个摄像机能够与另一个摄像机的视频信号同步，一个外同步摄像机能够利用输入的彩色视频复合信号，提取水平和垂直同步信号来实现同步。

大多数相机都具备垂直驱动同步或彩色视频复合信号/外同步功能，但监控摄像机由于无需线锁定，因此几乎没有完全锁定性能。直流线锁定是一种传统技术，它利用直流50/60赫兹电源线电流来同步摄像机。鉴于直流24伏电源在多数建筑物防火警报系统中广泛使用，且易于获取，因此在北美洲被广泛采用。由于老式的切换器和分割系统缺乏数字记忆功能，为了保持稳定的图像，摄像机之间的同步变得至关重要，而直流线锁定就是使摄像机同步于交流50/60赫兹，彩色信道之间时间的关联以及水平/垂直信号的不约束会导致色彩转换（色彩阶段设计）变得糟糕，因此所有使用交流线锁定的用户都不可避免地会失去良好的色彩转换。

幸运的是，现代的分割器、16通道复合处理器和硬盘录像机都配备了内部存储器，以克服这一问题，不再需要同步信号，因此交流线锁定可能在不久的将来被淘汰。

电子快门是什么？为什么某些CCD没有电子快门功能？

只要有光照，CCD的光敏部分就会产生电子。像素必须被读取，如果读取过程耗时过长，图像质量就会下降。这与使用慢速快门拍摄运动物体的原理相同。通常在读出期间会停止信号的产生。然而，关闭光照需要某种形式的机械快门或电子快门。某些CCD被设计为信号一旦产生就迅速传输到CCD的某个金属区域，由于光照无法穿透金属，信号的产生就会停止，从而CCD可以无干扰地读取。这种快速传输到保护区域被称为电子快门，因为它通过电子控制信号的产生时间。

硅对光的敏感度超过1100nm，但为什么没有能够检测到这些波长的CCD？

硅对光的敏感度确实超过1100nm，然而，CCD无法检测这些波长的原因相对复杂：

CCD通过吸收光，将光能转化为电能来工作。这些电子在CCD中传输到输出放大器，在那里产生了与像素吸收的光能成比例的电信号。被硅吸收的光能取决于波长。硅材料对蓝光有较强的吸收能力，而大部分光线实际上是由CCD上的多个硅沟所吸收。因此，仅有少量的蓝光能够进入CCD的损耗区域，这里的像素负责聚集电子。在可见光谱的另一端，红光和近红外光同样只有少量被吸收。这意味着，只有经过大量硅材料的光线才能被吸收并产生电子。这些电子随后会漂移至CCD的损耗区域，被像素所吸收，或者继续漂移直至其能量耗尽。