相機

工業相機 vs 商用相機

什麼是商用相機,什麼是工業相機

為什麼工業相機普遍比商用相機貴? 到底差在哪裡,我們做機台可以用普通的商用相機嗎?
我們先從類型來定義商用相機與工業相機,然後從各種面向來進行探討。

1.類型

泛指日常生活中常見的相機品牌,例如 Canon、Nikon、Sony、Fujifilm 等等,所製造的用於照相館、新聞、美編、生活照等用途的相機。依使用客群不同,常見的類型有 DC (消費型數位相機)、DSLR (單鏡反光鏡數位相機)、MILC (無反光鏡可換鏡頭相機) 等等,若將手機也納入考量,選擇性就更多了。通常商用相機的分類方式會以人的操作習慣為主體

指的是用於工業機器設備的相機,即所謂的機器視覺,這些相機以提供機器設備眼睛,使得機器設備能看見所服務的對象,例如半導體、製造業自動化需要檢驗產品、航太衛星需要空照圖、保安系統需要監控人員進出、停車場管理系統需要車牌辨識、物流自動化需要核對條碼及尺寸等等。依拍攝對象及應用的不同,通常粗分為面型 (Area)、線掃 (Line Scan),又細分為 2D、3D、Smart Camera 等等。通常工業相機會以機器的設計方式當作功能上的區別

2.外觀設計

因為以人的操作習慣為主體,故外觀會以好拿、輕量、好按好操作為討喜的設計,幾乎都有螢幕可以預覽拍攝畫面,部分使用觸控螢幕來操作,部分以復古風格設計的相機甚至會提供非常多的按鈕或轉盤。大多以手拿著拍照,若要固定相機,多半會提供鎖攝影三腳架的螺絲孔 (通常是英制 1/4”),但通常只設計一個孔位,不會提供太多可以鎖固的地方。

因為主要用於機器自動化設備,會以金屬外殼為主,外觀厚實方正,方便對齊承靠 (一種方位校準的動作) 機器設備其他鈑件。幾乎不提供任何螢幕、按鈕等操作介面,因為相機與機器之間會以設計好的電子通訊,平常不需要人工介入。外觀上一定會提供至少三個公制螺絲孔 (如 M3、M4 牙等等) ,方便整合於機器上,有的也會提供商用攝影腳架的螺絲孔 (英制 1/4”),但不會是必備項目。

3.鏡頭的支援

雖然近年來流行可換鏡頭的相機,但換鏡頭不是商用相機的主要訴求,尤其是對一般消費者,能方便拍到照片會優於攜帶大量的鏡頭出門,大部分的消費型相機都已經設計好鏡頭規格且不能拆卸。若指可換鏡頭的相機,一個相機廠牌通常也只支援自己的鏡頭接環規格,不同廠牌的相機對於鏡頭接環彼此不互通。會有所謂的 “副廠鏡” 廠牌,專門生產鏡頭供應各家的相機,但由於商用相機鏡頭上有許多電子功能 (如自動對焦),因此不僅接環的問題,電子功能的相容性也會增加跨廠牌鏡頭的難度

無論何種廠牌,小型感光元件的相機大多使用標準的 C-mount 接環;大一點的片幅,會採用老式的 F-mount (由 Nikon 推出的規格),或者 M42 接環,再大一點的片幅會採用 M58、甚至 M72、M90 等等的鏡頭接環。工業相機以提供公制規格的鏡頭接環卡口,只要尺寸、後焦、光路正確,任何相機與鏡頭在硬體上都可以互通。鏡頭提供的是純光學,純手動,相機與鏡頭間幾乎不設計電子接點及通訊功能,對焦調整好就固定起來不再更動;若需要自動對焦功能,對焦的資訊採樣及光學控制並非透過相機,而是需要額外的自動對焦光學裝置,這類裝置在工業界只有特殊需求的小眾應用才會加裝。

4.影像格式

幾乎 99.9% 都是提供彩色數位影像,極少數灰階相機只有小眾在用影像的輸出以影像檔為主流,因為提供檔案你才能方便打開來看,大部分的相機能儲存 JPG 檔,少數專業機種可提供 RAW 檔以儲存未壓縮之原始資料方便攝影師修圖後製,但廠牌的 RAW 檔格式不公開,通常僅自家轉檔軟體可以讀取。

八成的機器視覺檢測應用都只需要灰階影像,彩色相機只有特殊案例才會派上用場,且彩色相機往往也不直接提供彩色影像,只提供原始資料 (Bayer RAW),工程師需要利用影像擷取卡或用電腦寫程式轉換成彩色,RAW Data 格式在開發手冊及 SDK 中是公開的。工業相機的影像不直接以 “檔案” 形式呈現,而是由設備開發程式設計師撰寫程式抓取原始位元資料後,再自行決定要直接處理計算還是存成影像檔案

5.拍照介面

大多由使用者在相機操作介面用按鈕或觸控螢幕進行曝光拍照,有的可以接延長線或遙控器、或用手機、電腦連線拍照。自動曝光功能是標配,能自動根據場景計算需要多少曝光時間,反而是少數走專業路線的機種才會提供手動曝光的設定功能,但通常只有幾個檔次可以選無法自由設定數值。為了符合大眾習慣以及底片攝影時代留下來的傳統包袱,感光度以 ISO 當作調整單位,原生 ISO 表示這台相機的原始感光度,由原生 ISO 檔次往上調整兩倍,表示可用一半的曝光時間拍出相同的亮度。但每台相機的原生 ISO 都不相同,不同相機使用相同 ISO 的實際表現彼此也都不相同。

工業相機要提供精準且可靠的拍照曝光控制及程式介面供工程師設計,曝光模式通常粗分為 Free Run (相機自己按固定時間間隔拍照) 及 Trigger Mode (由外部電子訊號同步相機曝光) 兩種,Trigger Mode 能提供精密的準時控制,讓料件與相機間沒有任何時間差,也能輕易跟其他裝置進行同步控制,例如飛拍或是閃頻。曝光時間可用程式來設定,數值要多少就設多少,也可以用外部電子 Trigger 的脈波寬度去決定,設計非常自由;但內建自動計算曝光時間的工業相機不多也不是必要功能,因為自動曝光在工業界是小眾,工業檢測要的是精準、穩定、重複性高、每次結果都相同,很少需要每次曝光都重新計算曝光時間。感光度部分,工業相機不使用 ISO 值,使用科學記號 DN/µJ/cm² (每單位面積照射單位能量會產生多少數位灰階值) 當作感光度基礎單位,而用 Gain 當作感光度的檔次,即把原始訊號放大多少倍的意思。理論上相同 DN/µJ/cm² 的相機感光能力是相同的。

6.軟體功能

軟體功能在投入市場前早就都整合在一起了,自動對焦、自動曝光都是基本,各種便於拍照、美化成品的功能五花八門,人臉對焦、鳥眼對焦、美肌、AI 修臉在今天已經不算稀奇,拍完照片一鍵上傳網路打卡也都不奇怪。因為對象是普羅大眾,相機內部早已軟硬體整合,硬體負責光學及拍照,軟體負責計算,用戶拿到的是最終成品,而不是原汁原味的原始資料。少數品牌及機種會提供 SDK 供開發者方便撰寫讓電腦與相機連線控制、取資料的第三方程式,例如用於開發照相館專用的相片管理系統,但畢竟是小眾,這類軟體 SDK 即使有,資源也是非常稀缺,也未必都能在原廠網站自由取得,需要一個一個專案去談。

工業相機硬體是硬體,軟體是軟體,是要分別開發設計的。唯一比較接近一體式軟硬體整合的工業相機產品線只有 Smart Camera (智能相機) 這種類型,但工業智能相機屬於 “智能” 的部分也頂多提供了嵌入式的中央處理器、主機板、記憶體、作業系統,以及一套讓工程師可以開發辨識流程的函示庫,相比於一台最低規的消費數位相機,這些功能簡直一點都不智能。然而,工業相機廠商 (或影像擷取卡廠商) 必然會提供取像 SDK,讓機器設備的開發工程師可以連線、取像、設定參數,而且這些取像通訊軟體規格一直在朝統一的方向走,最知名的就是由 EMVA (歐洲機器視覺協會) 所推出的 GenICam (Generic Interface for Cameras) 標準,訴求是遵循並制定較為一致性的通訊架構、傳輸模式、溝通介面以降低開發應用的時間成本。

7.市場

單一產品銷量大,但更迭快,週期壽命短。主要使用對象是普羅大眾,根據日本相機影像器材工業協會 (CIPA) 的統計,即使在景氣不佳數位相機銷售衰退的時候全球年銷售量也有八百萬台 (這個數字還沒有包含大幅成長中的手機),因為市場龐大,壓低了單價。由於大眾的口味喜好會變,商用相機市場需要新的刺激,故產品生命週期很短,一年一代極為常見。

單一產品銷量相對小,更迭慢週期長,主要對象是開發工業機器自動化設備的工程師,應用於自動化生產線上的設備。相較於普羅大眾這個客群,機器設備的佈署數量當然顯得非常稀少,也反映在感光元件等上游零組件供貨於工業相機的數量,使得工業相機本身成本較高。工業相機產品生命週期較長,相同一代產品以好幾年為單位,要的是長期穩定的供貨;即使因應客戶端更精密、更先進的製程需要,工業相機廠商會有新的規格問世,舊的規格因為仍有市場不會馬上停產。

 

 

總結以上

  • 客群: 普羅大眾,量大
  • 類型: 設計分類方式以各種人的喜好及客群操作習慣為主。
  • 外觀: 以好拿、輕量、好按好操作為討喜的外觀設計。
  • 鏡頭: 大多不可換鏡頭,即使可換鏡頭,安裝接環、電子接點有各自的作法。
  • 影像: 必定會提供影像檔,以彩色為主。大多用 JPG 檔來傳輸影像,RAW 格式不公開需透過原廠轉檔軟體。
  • 拍照: 以按鈕或遙控器來拍照,曝光大多自動計算,感光度用 ISO 簡單表示。
  • 軟體: 軟硬體早已整合在相機中,圖片幾乎會被相機內建軟體處理過。不附取像通訊軟體,因為它提供的是 JPG 檔案。
  • 客群: 設計機台的工程師,量少
  • 類型: 以機器的設計方式當作功能上的區別。
  • 外觀: 外觀厚實方正,方便對齊承靠及鎖固。
  • 鏡頭: 統一的幾種公制接環規格方便搭配鏡頭。鏡頭大多沒有電子通訊。
  • 影像: 以灰階為主,少量彩色。透過 SDK 抓取原始影像位元資料,至於存不存檔是 AOI 工程師的事。
  • 拍照: 有 Free Run 或 Trigger 等模式,能按需求精準且可靠的控制曝光,感光度用科學單位數值表示。
  • 軟體: 硬體是硬體,軟體是軟體,分開設計、再來整合。相機或擷取卡必然會提供取像 SDK。

 

 

結語: 可以拿來做機器視覺設備嗎?

商用相機的基本組成仍是感光元件、也能曝光取像,如果不在意或不需要工業相機所提供的同步飛拍閃頻等等功能的話,只是放著跑 Live 拍照,硬要拿商用相機用於設計機器設備當然也能做到。但面對舊款相機動輒停產,新相機鏡頭接環改版、軟體必須改寫,對於機器設備製造商而言會是個大負擔。如果機器製造商的設備型式只有少數款式,機台研發一次可以不斷複製大量訂單,故負擔較高的人事成本,在開發比較稀缺的 SDK,以及應付相機頻繁的世代更迭,選擇銷量大而售價低廉的商用相機當然會是一個選項

與商用相機剛好相反,由於工業機器設備開發商的痛點在於,因應不同領域客戶、不同生產線的需要,機器設備種類繁多,很難專注於只顧好一種類型的機台,機器設備開發是個客製化的市場,專注於一種機型的事情可遇不可求。由於研發一部新的機器,工程師需要進行機構設計、電控設計、光學設計、軟體開發,若相機時常因產品更迭讓外觀、通訊模式都要重新學起找起,能熟練的時間很少。因應這種需求,有標準外型、取像界面,利於快速整合。所以,針對主流各種工業檢測設計的工業相機會是首選,這個原則也幾乎套用於所有的工業級關鍵零組件