在利用机器视觉解决识别物体的应用中，图像采集显得至关重要。高质量的图像将极大提高后期图像处理的效率，有效提高图像识别的精度，因此相关技术研究环节值得我们倍加关注。
用于图像处理系统的摄像机可分为网络/IP（网络协议）和工业/机器视觉（MV）相机两类。网络相机广泛使用于典型监控应用之中，同时也可与工业相机结合使用。以下是这种相机的一些典型特性：通常会有坚固的外壳保护，外壳具有抗震功能，能适应任何天气变化，这使相机适用于室内和室外环境；各种不同功能（例如昼/夜模式）以及特殊的红外滤光片使相机能够提供卓越的成像质量，即使环境光源或天气情况极差的情况下亦可使用；可压缩所记录的图像，这样可以减少数据量，也能使所有数据均可存储在相机内；通过连接到网络，理论上可让无限数量的用户访问该相机。
相比之下，工业相机的特点是：会以未经压缩原始数据形式将图像直接传输至PC；然后PC负责处理相对大量的数据。该方法的优点是不会丢失任何图像信息。工业相机包含两种技术：面阵相机和线阵相机。它们拍摄图像的方式不同，具体与视觉应用的类型相关。
根据PCB板光学检测的要求，很显然工业相机是一个更好的选择。选择工业相机需要选择线阵工业相机或者面阵工业相机。
1.线阵工业相机（图4.8）
线阵CCD工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图像处理。在机器视觉领域中，线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵工业相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等；被检测的物体通常匀速运动，利用一台或多台工业相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面均匀检测；可以对其图像一行一行进行处理，或者对由多行组成的面阵图像进行处理。另外线阵工业相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率，它可以准确测量到微米。
图4.8 线阵工业相机
线阵工业相机，机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长，几千像素的长度，而宽度却只有几个像素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。
需要极大的视野或极高的精度的情况下，需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图像，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型工业相机，必须用可以支持线阵型工业相机的采集卡。线阵型工业相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢，一般工业相机的图像是400 k～1 M，而合并后的图像有几个M这么大，速度自然就慢了。
2.面阵工业相机（图4.9）
工业相机分辨率指一个像素表示实际物体的大小，用μm*μm表示。数值越小，分辨率越高。FOV是指相机实际拍摄的面积，FOV是由像素多少和分辨率决定的。相同的相机，分辨率越大，它的FOV就越小。在图像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，而是由分辨率决定的。分辨率是由选择的镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。如果采用20 μm分辨率，对于1 mm*0.5 mm的零件，它总共占用像素1/0.02×0.5/0.02=50×25个像素，如果采用30 μm的分辨率，表示同一个元件，则有1/0.03×0.5/0.03=33×17个像素，显然20 μm的分辨率表现图像细节方面好过30 μm的分辨率。
图4.9 面阵工业相机
对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，而线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵CCD工业相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。以线阵CCD在线测量线径为例，就在不少论文中有所介绍，但在涉及图像处理时都是基于理想的条件下，而从实际工程应用的角度来讲，线阵CCD图像处理算法还是相当复杂的。
由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。线阵CCD的优点是分辨力高，价格低廉，如TCD1501C型线阵CCD，光敏像元数目为5 000，像元尺寸为7 μm*7 μm*7 μm（相邻像元中心距）该线阵CCD一维成像长度35 mm，可满足大多数测量视场的要求，但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导致用线阵CCD获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。
3.芯片类型（CMOS或CCD）
接下来是需要考虑芯片类型，这一步需要挑选适合的芯片（即采用CMOS或CCD芯片技术）以及选择快门技术的类型（即全局快门或滚动快门）。之后要考虑问题则的是帧速率，这个指标是相机为了能够顺畅处理任务每秒必须提供的图像数量。
工业相机感光芯片类型有CCD和CMOS这两种，两种不同的芯片技术基本差别在于其技术结构。在CMOS芯片中，将光能（具体而言是指光子）转化成电信号（电子）的电子元件直接集成在芯片表面。因此电子元件能够更快速地读取成像数据，用户能够更灵活地调整成像范围，使CMOS芯片能够更快速地拍摄图像。CMOS芯片在消费者市场上被广泛使用，例如单反相机。而CCD芯片使用完整的芯片表面拍摄光线，芯片表面上没有安装任何转化电子元件。这使表面拥有较多的像素空间，亦代表着能够拍摄的光线将更多。因此这类芯片对于光线特别灵敏，特别适用于弱光条件的应用。CCD芯片能够在速度较慢的应用中提供卓越图像质量，虽然该芯片的结构以及其传输与处理图像数据的方式已逐渐将成像速度提高至极限。如图4.10所示为CMOS面阵芯片和CCD芯片。
图4.10 CMOS面阵芯片和CCD芯片
CCD芯片和CMOS芯片各有优势，但是CMOS芯片技术在近年来不断改进，如今已适用于几乎任何一种图像处理应用。CMOS芯片具备出众的性价比、高成像速度、高分辨率、低功耗、高量子效率等众多特点，这些特性让CMOS芯片在CCD芯片以往独占鳌头的领域中取得了立足之地。高成像速度与出众的图像质量的结合是当代CMOS芯片的突出卖点之一。(www.xing528.com)
4.快门技术
对于快门技术，有一项简单但非常重要的要求：快门必须与应用匹配。快门能够保护相机内部的芯片不受入射光线的影响，且只有在曝光时才会打开。所选的曝光时间将会确保像素接收适当数量的光子，并决定快门维持打开状态的时间。全局快门和滚动快门的差别在于吸收光线的方式。
全局快门会打开并让光线一次性接触整个芯片表面，其工作方式如图4.11所示。依帧速率而定，移动中的目标会快速地被连续拍摄到。全局快门是需要拍摄快速移动目标的应用的首选，例如交通与运输领域、物流领域以及印刷材料的检测。
滚动快门则是逐行来曝光图像，其工作方式如图4.12所示。根据所选的曝光时间不同，当目标在曝光过程中移动时，可能会发生失真，这也就是所谓的滚动快门效应。但是，并非涉及移动目标的应用就完全无法使用滚动快门。在多数情况下，该效应可通过正确配置曝光时间以及使用外置闪光灯来规避。
图4.11 全局快门工作方式
图4.12 滚动快门工作方式
5.帧速率
工业相机的帧速率，与“每秒多少帧图像”或“fps”含义相同；而对于线阵相机，则与“行频”或“行频率”含义相同。帧速率描述芯片可在每秒钟拍摄与传输的图像数量。帧速率越高，芯片速度越快。芯片越快，它每秒拍摄到的图像就越多。图像越多，数据量就越大。对于快速移动的应用（例如印刷版图形的检测），报纸将会快速与相机检测点擦身而过，而相机必须能够在毫秒内进行“拍摄”。对于面阵相机，图像数量与数据量在很大程度上是依使用的接口而定。同时，这也取决于所使用的帧速率是低速的还是高速的。图像处理系统内的相机所需拍摄的目标决定能够使用或所需使用的帧速率。
6.分辨率、芯片与像素尺寸
查阅相机的规格，会看到类似“2 048×1 088”数字。它指的是每行的像素数量，而在以上例子中亦指每条水平行拥有2 048个像素，每条垂直行则拥有1 088个像素。将两个数字相乘就会得到分辨率，即2228 224或220万像素（百万像素或简称“MP”）。要确定具体应用需要多少分辨率，可进行几项简单计算：举例来说，想要拍摄某人眼睛的精确彩色图像，该人士身高2m且站立在一个特定的位置上，那么要清晰识别1 mm大的细节，就需要四百万像素的分辨率。
而对于芯片与像素尺寸，大芯片和大像素表面可以拍摄到更多的光线。芯片使用光线作为信号，生成与处理图像数据。可使用的表面积越大，信噪比（SNR）就越高，尤其是那些尺寸为3.5 μm或更大的大型像素。信噪比（SNR）越高，成像质量越好。42 dB的信噪比（SNR）会被视为可靠效果。大尺寸芯片提供较大的空间，可容纳较多的像素，因而提供较高的分辨率。其实大型芯片的真正优势在于单个像素的尺寸仍足以确保取得较好的信噪比（SNR），而较小的芯片所能够使用的空间不多，因此需要使用尺寸较小的像素。但是如果大型芯片以及大量的大型像素未搭配合适的光学配件，则无法达到理想效果。只有与可以解析这一高分辨率的合适镜头结合使用，它们才能发挥全部潜力。大型芯片的成本总是更为昂贵，因为更大空间需要使用更多的硅。
7.接口标准
最后需要考虑的是接口标准，GigE Vision、USB 3.0 Vision和Camera Link（见图4.13）是目前普遍采用的技术标准，可保证相机接口与符合标准的组件和附件兼容。
图4.13 USB 3.0、GigE和Camera Link接口
每项技术都旨在满足带宽、多相机体系、线材长度等方面的一系列具体要求。1394（FireWire）和USB 2.0是比较旧的技术，这些技术因其自身限制，不再无保留地推荐用于目前的图像处理系统。表4.1从线材长度和最大宽带速度方面比较了不同接口标准的适用情况。
表4.1 不同接口标准的适用情况
综上所述，根据您对PCB自动光学检测的具体要求结合以上相机的各个方面要求来选择符合要求的图像采集摄像机。
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