6-5 CCD的灵敏度、动态范围和信噪比
6-5-1 CCD的灵敏度
CCD将光能转换成电荷的效率（又称光注入电荷能力）取决于多个因素。光注入电荷
Qin=k·A·Noe·ttotal （1）
式中，Qin为注入电荷量；k为固定系数；A为光敏单元的受光面积；Noe为入射光的光强；ttotal为光注入时间。
从上式可以看出，k和半导体材料有关；A和CCD的晶片尺寸和结构有关，k和A决定了该摄像头的灵敏度，尤其是受光面积A，更是影响灵敏度的关键；Noe与入射光的光谱和光强有关。在k及A都确定后，光注入的电荷就只和Noe和时间ttotal成正比了，也就是说和投影到光敏像元上的光强度和光照的累积时间成正比。控制累积时间ttotal，就是控制CCD的曝光时间，为CCD设计电子快门提供了基础。
摄像头的灵敏度和动态范围一样，与噪音有关。假设噪音的方差σ等效于100个光电子，那么为了保证从噪音中检出信号，信号至少应大于3σ才能较稳定地被检出，也就是最小可检出信号，即灵敏度应为300个光电子。现代CCD图像传感器芯片的灵敏度已几乎能达到1个光电子了。
6-5-2 CCD的动态范围
在CCD摄像头的说明书中经常见到两个与动态范围有关的重要参数：填充比（Fill Factor）和势阱容量（Well Capacity）
6-5-2-1 填充比（Fill Factor）
在一个像元所占有的整个区域内，对入射光敏感的区域只占总区域的一部分，光敏感面积和像元总面积之比为填充比。这是因为在一个像元区域内，除对入射光敏感的区域外，尚有与敏感区相配合的单元，例如在隔行转移型（ILT）结构的CCD中，每一个像元都有一个电荷移位寄存器和一个转移栅与光敏二极管放在一起，用来转移光敏区的电荷。（见6-1-3节）。这部分非光敏区域被不透光的薄膜所覆盖，使其不受外来光线的打扰。6-5-1节的光注入电荷的公式已表示，CCD的灵敏度是和A成正比的，所以填充比直接反映了CCD的灵敏度。
为了充分扩大低填充比CCD的有效的受光面积，特别是在ILT结构中，可以使用一个微小的凸透镜盖在每一个像元上，见图6-10，以便增加有效的填充比例。但必需指出，这种微小的透镜对紫外线部分有较大的衰减。
6-5-2-2 势阱容量（Well Capacity）
这是像元光敏二极管势阱收集并保存电荷的容量的一个参数，势阱容量给出了CCD对强光源无饱和感应的能力，给出了 CCD动态范围的上限。一般来说，像元面积和填充比例越大，CCD灵敏度越高，势阱容量也越高。所以势阱容量是一个很重要的参数，它是CCD动态范围的决定性因素之一。
6-5-3 CCD噪音与信噪比
前面已经提到，动态范围取决于两个因素，一个是正确反映图像中最亮和最暗区反差的能力，它就是上节所述的势阱容量，它反映不饱和接受入射光的最大亮度；势阱容纳电荷的最大能力；或者是CCD输出的最大有用电压。
另一个是CCD反映图像灰度微小变化的能力。影响这个能力的因素是随机噪音。那些小于噪音的微小灰度变化，被噪音淹没了，已不能被机器视觉系统区分出来。
CCD摄像头的噪音来自两个地方：CCD图像传感器芯片和芯片外部的外围电路如放大器、A/D转换等等。
6-5-3-1 CCD图像传感器芯片内的噪音：
a. 光注入、电荷耦合转移、电荷/电压转换等过程中产生的电荷的随机变化；
b. 暗电流：在无光照的情况下，由于热激发而产生的电子随机运动。
6-5-3-2 CCD芯片外围电路噪音：
放大器、A/D等内部电压的随机起伏变化；它们相互间的信号连接线，甚至于电源受外部干扰而产生的噪音。
在这里我们顺便提一下，即使是用同一种CCD芯片，不同厂家生产出来的CCD摄像头，由于其所采用外围芯片的差异、电路设计和布局等因素，摄像头最终的输出视频信号中的噪音大小也会有较大的差异。
如第5-1节所述，把两个动态范围的概念结合起来，就是信号和噪音之比，取决于势阱容量的视频的最大不饱和电压和各种噪音之和的均方差的比例
其中S为视频输出的最大电压和最小电压之差，N为噪音的均方差。SNR用分贝（db）表示。
6-6 CCD的逐行扫描、电子快门和外触发
机器视觉系统的最大特点之一是被监控物体是运动的,要清晰地获取运动物体，就需要减少CCD的曝光时间ttotal,并且什么时间开始曝光应该是可控的，应该根据物体运动至视场FOV中央的时间来确定。
6-6-1 逐行扫描
第3-1-3节已介绍了CCTV隔行电视信号的扫描方式（图3-1和图3-2）。这种扫描方式的CCD的曝光时间见图6-11，图中未对曝光进行控制，图6-11（b）表示奇、偶场的曝光时间，图6-11（c）表示光敏像元曝光结束，转移栅用传送脉冲将像元电荷转移至电荷移位寄存器，这个传送脉冲很短，它同时对所有的像元作这种转移。转移结束后，光敏像元又可以对下场图像进行曝光，同时，电荷移位寄存器将代表图像的 电荷阵列逐行移出，并转换成视频电压输出，见图6-11（d）。
从图6-11可以看出，奇偶场图像的曝光期间是交错的，所以，它获取的不是运动物体在同一时间段曝光的图像。奇偶场图像合并在一起时，形成了所谓的运动撕裂，图6-12，在机器视觉系统中，这种失真是很严重的。
消除这种失真的最有效的办法是逐行扫描，逐行扫描摄像头可以和CCTV摄像头一样具有相同的分辨率，但扫描方式不是隔行的，而是逐行的。
将CCD做成隔行或者逐行扫描，比起真空管摄像头来容易多了，它的曝光、转移和视频输出见图6-13，从图中可以看出它们之间的动作就简单多了，所有像元不分奇偶行，同时曝光，视频输出和曝光时间相差一帧时间。
6-6-2 电子快门
图6-11和图6-13所示的CCD曝光时间都持续了一帧时间，这长长的曝光时间，使速度快的运动物体模糊了，所以应根据物体的运动速度改变曝光时间，也就是可变的电子快门。CCD摄像头快门曝光的时序见图6-14，图中的曝光时间基本连续可调， 从10微秒至几十毫秒。曝光期间紧挨在转移脉冲前面，也可以说转移脉冲结束了曝光。
我们必须注意，电子快门的曝光时间的变化，仅仅改变了CCD光敏像元对外来光的感应时间，但不会改变CCD内在的视频读出扫描过程和周期。
电子快门的调节可以用CCD摄像头上的开关组合来实现，也可以通过CCD摄像头上的串行总线来控制。这种非机械式的、具有很大的灵活性的快门控制，给视觉系统带来了极大的好处。
对于运动物体来说，快门时间越短，所获取的图像越精确，即越不模糊，但过短的曝光时间会使光照强度大大提高，给光照技术带来很大的困难，所以应选择合适的快门时间。快门时间与物体的大小、运动速度、物体至镜头的距离等因素有关，特别是和机器视觉系统对获取图像的精度要求有关，精度以像元为单位，例如一个、两个或者1/2个像元精度。
当误差精度为1个像元时，像元的尺寸
P=T×V×PMAG
式中：
P：像元尺寸 O：物体宽度尺寸
V：物体运动速度 PMAG：放大倍数
T：曝光时间 L：芯片的宽度尺寸
若物体的宽度尺寸为1米，运动速度为每秒1米，像元尺寸为0.62μm，1/2英寸CCD，其宽度为6.4mm，则快门时间应短于：
6-6-3 可重新设置的外触发非同步扫描
获取运动物体除了使图像模糊外，还有一个要解决的问题，就是当物体运动至视场（FOV）的中心时，对其进行曝光。而摄像头有自己的扫描周期，它没有和运动物体同步，若按摄像头本身的周期作曝光、转移、输出视频，则极有可能定位不准。这就要求当物体进入视场FOV中心时，发出一个触发脉冲，摄像头中止当前的工作，重新开始曝光、转移和输出视频的扫描过程，图6-15演示了这一过程，当外触发脉冲出现后，摄像头强迫中止目前的扫描，重新设置新的一帧扫描开始，先后启动曝光、电荷转移、视频输出等动作。
CCD摄像头的外触发启动有两种方式：
6-6-3-1 异步方式
CCD平时处于等待状态，只有主振和行振荡器工作，无视频输出，外触发来到后，CCD启动扫描，输出一帧图像，见图6-16（a），外触发脉冲来到后，从下一个行同步头开始一帧图像扫描，即开始曝光、电荷转移、视频输出等动作。
6-6-3-2 可重置方式
CCD按自己的周期工作，并输出视频信号，外触发来到后，CCD中止目前的动作，重新启动，开始新的一帧扫描，见图6-16（b）。
这两种启动方式的CCD摄像头的主振或者行同步都不会因外触发脉冲的到来而中止，它们按自己固有的周期工作，当外触发脉冲出现后，并不是马上启动摄像头工作，而是等待下一个完整的行同步头或者主时钟上升沿才启动新的一帧扫描，所以CCD的启动按两种方式延迟——行周期和主时钟周期，见图6-17。行同步方式从外触发至帧扫描开始的延时为0至一行的周期，例如64μs（假设为CCTV），而点同步方式的延时为0至CCD主时钟周期，例如67ns。可以看出，点同步方式的延时误差小多了。当然，点触发方式对摄像头的设计要求较高。
6-6-4长时间曝光
一般CCD的曝光时间最长不超过一帧周期。和为了获取运动图像而使用CCD的电子快门的目的相反，在光线不足的情况下，为了使图像更清晰，使用大于一帧周期的曝光时间，称作长周期积分（Long term Integration,LTI），来累积光电荷，提高信号，抑制噪音。当然，其前提是在累积期间目标的运动很小或静止。LTI光累积的工作时序见图6-18，图6-18（a）为隔行扫描，图6-18（b）为逐列扫描时的累集曝光时序图。累积的最大时间受热噪音的限制，一般不大于3秒。一般用于机器视觉的摄像头大多具有LTI的标准工作方式。
6-7 Binning
在机器视觉中，物体可能会运动得很快，在隔行扫描时，在两场之间物体运动引起撕裂失真，见6-6-1节。在条件许可的情况下，可以只输出一场，这样垂直分辨率降低一半，但采集速度增加了一倍。它称作CCD的场模式或者逐行输出模式。如果再采用一种称作Binning的技术，我们还可以使摄像头的灵敏度提高一倍。
Binning是CCD图像传感器的一种专门读出方式，它同时读出相邻的两个或多个像元，例如垂直方向同时读出两个像元，并将它们的电荷相加，这样，分辨率减低了一半，但帧速提高了一倍，灵敏度和信噪比也提高了。
Binning读出方式是机器视觉经常用到的方式，它可以用串行接口来控制，所以从正常读出到Binning方式的转换控制很方便。
6-8 Gamma校正
Gamma校正是为校正显像管的非线性而设立的。因为大多数摄像头的视频信号是送到
监视器供人眼观看的，而显像管显示的图像和视频信号f（t）之间的关系是非线性的fγ（t），为了补偿，预先在摄像头内反方向作f1/γ（t）校正，以便在显像管上最终获得线性显示的结果，图6-19。
在机器视觉系统中，视频信号主要不是给人观看的，而是给机器“看”的，保持视频信号与景物的线性关系是重要的，而不需要作Gamma校正。所以大多数摄像头中的Gamma校正是可以选择的，较好的摄像头可以通过串行接口的命令来灵活地控制。
6-9 CCD的光谱特性
CCD硅晶片对光波的敏感范围很宽，从紫外400nm至红外1060nm，它的频谱特性见图6-20中的红线，但人眼的可见光谱大约在400nm至700nm范围内，大量的红外光谱人眼是不能直接看见的。
为了不使人眼不可见的光谱成分投影到光敏像元上去，产生不必要的势阱饱和，提高CCD的动态范围；同时也为了使CCD和人眼对外界图像的感应尽可能一致起来，应该将大于700nm的红外光谱尽可能滤掉，只留下可见光谱，并尽可能使其平坦。这种滤波器称为Infra-Red Filter，它是一块晶片，放在镜头和CCD之间。加了IR filter后，黑白CCD摄像头的典型光谱曲线见图6-20中的蓝虚线。高质量的摄像头都具有IR滤波器。
在机器视觉中，图像不是给人看的,而是给机器“看”的，所以根据被监控景物的光谱，以及系统的需求，在最大可能加大前景和背景的前提下，可以将CCD内的IR滤波器去掉，甚至于加上特定光谱特性的滤波器，例如反过来，用滤除可见光，只通过红外的光学滤波器来突出发出红外的发热物体。
6-10 CMOS摄像头
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）是互补式金属氧化物半导体的英文缩写，它将NMOS和PMOS两个相反极性的MOS半导体串起来，形成了集成电路中广泛使用的一个基本单元。例如计算机中用量最大的内存——动态存储器，就是用CMOS工艺制造的。
其实CMOS的摄像头并不比CCD摄像头出现的时间晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相继开发出来，后来之所以CCD占了统治地位，是因为在当时的工艺制造技术条件下，CMOS的图像质量太差。直至1990年，新工艺的发展，使开发人员再一次对CMOS产生了兴趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成（整个摄像头集成在一片晶体内）、低制造成本（基于不需重新建立新的生产线，可以在已有的主流的逻辑和存储器CMOS流水线中进行）。经过大量的投入和努力，CMOS摄像头在近几年已获得了极大的成功，它对CCD的强大挑战，形成了CCD和CMOS两个激烈竞争的发展方向和阵营。
在过去，CMOS图像传感器给人的印象是低端产品，例如商务用传真机、复印机、扫描仪，到今日，以娱乐为主的摄像头、手机拍摄组件，直至大紫大红的网上摄像头已多为CMOS传感器。同时，CMOS摄像头在图像质量上也取得长足的进步，即使在对图像质量要求较高的投影仪上也获得了使用。
无论是CCD还是CMOS，它们都是用光敏像元阵列将入射的光图像转换成像元内的电荷，所不同的是将这些像元中的电荷取出并转换成电压的方式和途径。我们曾在前面提到，CCD是用电荷量来载荷图像信息的，那CMOS就是用电压量来载荷图像信息的。为了比较，我们将CCD和CMOS的工作过程用图6-21展现出来，从图（a）可以看出，CCD的像元将光转换为电荷后，用电荷耦合的方法，将电荷逐点、逐行地用电荷移位寄存器移出，直至电荷/电压转换器，图像信息以电荷的形式在芯片内移动输出；而CMOS则以完全不同的方式将图像信息送出像元阵列，从图（b）可以看出，每一个像元光敏单元都有一个电荷/电压转换单元与之相伴，所以像元电荷马上转换成为电压，再通过与之对应的矩阵开关，将电压送出阵列，所以CMOS的图像信息是以电压的形式传送输出的。由于这种完全不同的结构，为它们带来了各自的长处和短处。
我们首先来比较一下它们的集成度，图6-22形象地展现了它们在一片晶体内所包含的功能。红框范围内的单元是目前CCD芯片所能容纳的功能单元；而蓝框范围内是CMOS芯片所能容纳的功能单元，除了CCD所有的单元外，它还容纳了相机的控制电路、A/D转换以及相应的数字视频信号处理电路，这些处理可以包括亮度、对比度、γ校正等视频处理，也可以包含噪音抑制、边缘检测等较复杂的处理。
6-10-1 CCD和CMOS的比较
下表列出了CCD和CMOS在特性和性能上的比较。
CCD |
CMOS |
|
像元信号输出 |
电荷 |
电压 |
芯片信号输出 |
电压（模拟） |
数字 |
摄像头信号输出 |
数字 |
数字 |
填充因子 |
高 |
中等 |
系统噪音 |
低 |
中等 |
系统复杂性 |
高 |
低 |
传感器复杂性 |
低 |
高 |
表6-1 CCD和CMOS的特点比较表格
CCD |
CMOS |
|
灵敏度 |
高 |
较差 |
动态范围 |
高 |
中等 |
一致性 |
高 |
低至中等 |
曝光速度 |
快 |
稍慢 |
主时钟速度 |
中等至高 |
较高 |
开窗 |
有限 |
灵活 |
抗散焦 |
高至无 |
高 |
供电电压 |
种类多、电压高 |
单一，低电压 |
表6-2 CCD和CMOS的性能比较表格
这里对机器视觉有特殊意义的几个性能差别说明一下。
a.动态范围：由于结构上的差别CCD的噪音要比CMOS小，所以动态范围大，但下面我们就能看到，从发展角度来看，CMOS的动态范围也能做得很大；
b.一致性：在同一照射条件下，不同像元对暗和亮的响应的一致性。由于CMOS每一个像元都有自己的电荷/电压转换和放大器，所以一致性要大大低于用同一公共电荷/电压转换和放大器的CCD。
c.快门速度：CCD的电子快门控制速度快，所以曝光时间的一致性好，而CMOS则较差了；
d.开窗：CMOS由于是用矩阵开关将像元电压送出阵列的，对矩阵开关的控制较灵活，所以CMOS的图像开窗不仅可以在垂直方向，而且可以在水平方向同时实现；
e.抗散焦：由于结构上的差异，CMOS的抗散焦（Antiblooming）比CCD好，较适宜用于有超亮点的图像获取。
6-10-2 CCD和CMOS的发展趋势和适用领域
为了满足图像系统越来越广泛的要求，无论是个人的还是专业的应用，科研还是工业的，都对图像质量提出了越来越高的要求。
众所周知，动态范围是提高图像质量最重要的指标。近两年CCD和CMOS芯片在提高动态范围上都获得了很大的进步，例如CCD利用类似于雪崩二极管的撞击（Impactionization）现象，产生电子倍增效果（Electron Multiplication）,开发出灵敏度极高的摄像头，甚至于灵敏到可以对每个光子进行记数；而CMOS则开发出了一种称作HDRC（High Dynamic Range）的技术，利用具有双斜率的对数灵敏度响应曲线，大大增加了摄像头的对比度，拓宽了CMOS的动态范围，其典型实例见图6-23。从图中可以看出，由于受动态范围的限制，当景物中的亮度反差很大时，普通摄像头只能单独地清晰反映出室外亮的景物的灰度层次，或者室内暗的景物的灰度层次，而不能同时在一幅图像内反映出亮和暗两个区域的灰度层次。采用HDRC技术，双斜率对数曲线使这两个区域的灰度层次同时出现在一幅图像中。
图6-24展示了一些高档图像传感器的动态范围，图中的X方向是光子数， 每一种摄像头水平线的左端，代表了它的最小可检出的光子数，即灵敏度，而右端代表了最大未饱和的光子数，即满势阱容量。图中蓝的横线是三种高档CMOS摄像头的动态范围，三条黄线和两条黑线是CCD的动态范围，其中三条黄线中的上面两条使用了电子倍增技术（emCCD）。从图中可以看出，CCD的灵敏度普遍比CMOS高，使用了em技术的CCD97已经灵敏到几乎可以对单个光子进行计数的能力；同时CCD的动态范围也比CMOS的要好一些，但是HDRC CMOS的动态范围则大大地提高了，它可以检出最暗到0.001 Lux的光照输入，而且在最亮到500,000Lux的强阳光光照下的情况下，图像尚未饱和，动态范围高达500×106 :1的170db。
从上面对CCD和CMOS的对照可以看出CMOS已不再是几年前的低质量、高噪音的图像传感器了，CMOS已可以应用于很多高质量图像的场合。那么，这两种传感器哪一种更好呢？这是一个很难回答的问题，关键在于在每一种特定的应用场合中，CCD还是CMOS，哪一种更合适。
应用领域 |
CCD |
CMOS |
数码相机、手机、玩具 |
× |
× |
专业单反射镜头 |
× |
× |
工业图像处理和机器视觉 |
× |
× |
科学图像 |
× |
× |
高速图像 |
- |
× |
低照度图像 |
× |
- |
监控和应用观察 |
× |
- |
表6-3 CCD\CMOS适用领域
表6-3列出了CCD和CMOS最适用的应用领域。在数字相机、手机照相和玩具中CMOS的应用将会越来越多，这是因为CMOS的图像质量已大大改进，而它的低成本的优势也会促进这些领域的使用。当然，在目前CCD仍然占有相当大的分额。在专业的单反式镜头照相机中，这两种传感器都获得了应用，例如尼康使用了索尼的CCD，而佳能使用了它自己生产的CMOS。在低照度使用领域CCD当仁不让，而在高速图像的获取时，CMOS有突出的表现，这是因为CCD的灵敏度普遍高于CMOS；而CCD的串行读出方式不可能获得高速，只有CMOS矩阵开关式读出方式才能获得高帧速。
对机器视觉系统和科学应用来说，取决于具体的应用环境，例如低照度适用CCD，而要求高速获取图像应使用CMOS。
虽然CMOS发展很快，大大侵占了CCD的地盘，但在可预见的将来，它们还是会同时存在，各自占领有优势的领域。
6-11 数字摄像头
将A/D转换放在摄像头内，甚至放在图像传感器芯片内，例如CMOS芯片，将模拟视频转换成数字量，摄像头的视频输出是二进制数字。这样的摄像头被称作数字摄像头。
6-11-1数字摄像头的长处：
- 分辨率高：对于同一类像元传感器的摄像头来说，因为A/D在摄像头内，A/D的时钟可直接使用图像传感器的主时钟，时钟与每一个像元的有效视频输出时间紧密配合，所以时钟采样的视频值准确地表达了每一个像元中的电荷量。
- 如果A/D是在采集卡内，采样的时钟是图像卡依据行频锁相产生的，无法与摄像头的主时钟保持相位上的一致，所以图像卡的采样时间不能保证对准摄像头的每一个像元的视频值。从而在一定的程度上，带来分辨率的降低，并产生抖动误差。
- 有一种摄像头能输出主时钟，图像卡直接用这个主时钟来采样，虽然它也能获得较好的结果，但由于采样脉冲的频率一般都很高，摄像头和图像卡之间的连接线也很长，长线传送主时钟会带来延时，会引来干扰而产生误动作，所以，稍长的传输线就无法较好地传送主时钟脉冲了。
- 高分辨、高帧频的模拟视频信号的带宽会大大增加，有的甚至会大于50MHZ，在长线中直接传送0-50MHZ的视频显然很容易带来高频端的衰减，从而降低了分辨率。
- 灰度动态范围大：由于A/D在摄像头内，消除了视频长线传送时引来的噪音和干扰，以及视频在长线内的反射，从而提高了信噪比。而在大多数CCIR的模拟摄像头所采样的8bits数字图像中，只有6bits甚至于更低比特位的有效灰度信息。与之相比较，数字摄像头的灰度动态范围大大增强。
- 提高视频输出的速度和灵活性：如果视觉系统要求空间分辨率提高，灰度比特位数n加大以及帧速提高，都会大大增加视频传送的速度和频带，并要求摄像头的主时钟频率提高，而主时钟的提高是有限度的，所以会影响到摄像头的帧速和数据输出速度。而数字摄像头除了非常适合于非标准的逐行的花样繁多的扫描格式外，它甚至于可设计成数字视频的多通道输出，从而成倍地提高数据输出速度以及帧频。
- 综上所叙，要求高质量视频、高速获取图像的机器视觉系统，应该采用数字摄像头。
6-11-2 数字视频输出和多通道摄像头
在第3-4节中已介绍了各种数字视频格式，以及能接收数字视频的图像卡的输入格式。
我们已介绍过，当分辨率、比特位数、帧速增加时，会要求数字视频的输出速度大大提高，高到摄像头的主时钟频率和图像卡接受数字视频的速度已无法达到了。为此，产生了多通道输出数字摄像头。这种摄像头的输出使用两个或四个通道，将整幅图像划分成两个或四个子区域。通过这些通道，同时将子区域的像元输出，即在同一时间，并行输出两个或四个像元数值。如果通常的通道为8bits，则二通道传送16bits，四通道传送32bits的宽数字信息。
整幅图像划分成子区域的方式，以及各子区域的读出方式有很多方案，现列举两种两个子区域的方案供参考。图6-25（a）为在每一时刻，同时输出两相邻的两行视频，图6-25（b）将图像在垂直方向分割成两个子区域，每个子区域从上到下，同时从左右两边向中间扫描，直至图像中心的分割线。
6-12 智能摄像头（Smart Cameras）
智能摄像头（Smart Cameras）是一个包容了图像传感器、A/D转换、图像缓存、信号处理器、通讯接口等机器视觉系统大部分部件的摄像头。从更广泛的意义上来说，能称得上"智能”的摄像头，依据应用情况的不同可以大为不同，例如有的厂家将具有饱和度、对比度、亮度等控制能力的摄像头也称作智能摄像头。这里将主要讨论前一种情况。
智能摄像头具有以下特点：
1. 将视觉系统基本上完全包含在摄像头内，在视觉处理过程中不需要图像卡和PC机；
2. 摄像头与生产系统的通讯容量大大减少，仅为控制量、参数等非图 像数据，对通讯的要求大为简化；
3. 体积小，重量轻；
4. 价格低。
智能摄像头一般包含有下列输入/输出接口：
1.直流电源输入，12V或14V；
2.RS-232串行接口，作为控制；
3.模拟视频输出，CCIR或SVGA格式；
4.数字输入/输出，一般为12-24V，光隔离式，以避免外界的干扰，有的接口与PLC（Programable Logic Controller）兼容。
智能摄像头的软件有下列几种：
1.每一个摄像头所特有的（hand-held program Device）编程工具，使用内部的命令集直接在屏幕上进行编程和控制；使用简单直观，不需要PC机或其他软件；
2.为了提高摄像头的运行效率和运行速度，更高级的支持是一个命令编译器和编辑器的组合使用。前者是在摄像头内运行的命令。这些命令是通过编辑器在PC机上编辑、解译而形成的，从PC机将这些命令送到摄像头运行。在正常工作时间，摄像头按编辑器编辑的程序独立运行。
3.C-Cross-Development：有C编程经验的用户可以使用此开发包，在PC机上，使用某种实时操作系统和图像处理软件包结合来开发出更高性能的软件，再从PC机将此软件送到摄像头中运行。
智能摄像头的出现对基于PC机的机器视觉系统带来了很大的冲击。随着DSP和FPGA的速度越来越快，处理能力越来越高，摄像头的智能也越来越强。当然，传统的基于PC机的系统的功能也越来越强，所以智能摄像头和基于PC的视觉系统各有优缺点。
基于PC机的视觉系统的优点：
灵活：PC机本身的资源丰富，且非常灵活，可以有多种选择；
能力强：PC机能提供强大的处理能力和速度，能适应难度大而复杂的图像处理。
智能摄像头：
优点：
价格低：它不需使用图像卡，PC机等价格昂贵的部件
使用简单：智能摄像头具有用户友好的Point-and-Click性软件工具，用户不需要开发，直接选择使用即可，不会编程的用户都能使用；
集成度高：整个视觉系统都浓缩在一个小小的机壳内，所以很容易集成到制造系统中去；
可靠性高：由于它没有运动的机械部件，例如风扇；系统不是由几个离散的部件，摄像头、图像卡、PC机等组成，而是一个无运动部件的小机壳，具有很少的电缆和接插件，所以可靠性高。
缺点：
智能摄像头由于高度集成在一个小机壳内，会引起功耗和散热的问题，所以不能采用太强的中央处理器，这就限制了智能摄像头的处理能力，所以智能摄像头视觉的处理能力大多在中、低档、功能单一，并较适用于任务明确而要求成熟的场合。