工业相机和镜头参数和选型

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前言

工业机器视觉系统中，镜头与相机的选型非常重要。如果事先既未确定相机又未确定镜头，则需要先了解项目工作环境对相机安装（工作距离）、要检测的最大范围(视场)、最小特征的尺寸和代表它的像素数的要求，然后根据这些条件来计算应使用何种镜头或相机。
相机成像的原理是凸透镜成像（初中知识）。

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一、相机参数解释和选型

1.相机参数

1.1快门-shutter

快门是控制曝光时间方式，常见的电子快门的方式为全局曝光和卷帘快门。

1. 全局快门：曝光时，传感器上所有像素在同一时刻开启曝光并在同一时刻曝光结束，将物体某时刻状态成像，适合拍摄运动物体。
2. 卷帘快门：曝光是按照逐行开启曝光，不同行间的曝光的开启有延迟，所以不适合拍摄运动物体拍摄。
   注意：曝光时间不能过长，容易产生模糊。对于运动物体，曝光时间越短，物体的图像越清晰，但是容易图像偏暗，因为曝光时间短，进光量少，感光芯片的增益小。

1.2曝光-exposure

曝光是指工业相机工作过程中，图像传感器进行感光的过程，CCD/CMOS收集光子转换成电荷，并且电荷量不断累加的过程。

曝光时间是指相机从快门打开到关闭的时间间隔，曝光时间短，电荷积累的就少;曝光结束后,CCD/CMOS通过一定的方式将电荷移出，从光曝光对照片质量的影响很大，如果曝光过度，则照片过亮，失去图像细节；如果曝光不足，则照片过暗，同样会失去图像细节。所以，要在不过曝的前提下，增加曝光时间，提高图像的信噪比，让图像变得更清晰。
影响曝光的因素：

1. 光圈：光圈控制光进入的通路大小。光圈越大，进入的光通量越大；反之。光圈大小如下图。
   
2. 曝光时间：感光元件在光线进入时用来曝光的时间，即快门。
3. 增益：一般在信号弱的时候，在不想改变光圈和曝光时间的前提下使用。一般相机增益都会产生很大的噪声，尽量少用。

所以，一般将曝光时间和光圈配合使用从而达到需要的曝光。比如，对于高速运动物体，减小曝光时间，增大光圈，让物体细节更多的同时不至于过暗。

1.3增益-gain

***增益一般只是在信号弱，但不想增加曝光时间的情况下使用，一般相机增益都产生很大噪音。***曝光时间短，CCD/CMOS上电荷的积累就少，这时候就需要增益加强；反之，增益要减弱。

1.4 感光芯片类型（CCD/CMOS）

CCD（电荷耦合器件）芯片和CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片都将光信号（光子）转换成电子信号（电子）。

图片来源：CCD/CMOS图片来源 侵权删
CCD相机比较适合高质量或者运动物体图像的采集，CCD成像质量相对于CMOS来说高；如上述的的一款CCD相机。
CMOS相机比较适合静态或者采集速度要求很高的图像采集，CMOS成本相对于CCD来说较低和采集速度优势。
两图外观上没区别，主要是内部感光芯片的不同，此处只作示意用。

1.5 感光芯片（靶面）尺寸

感光芯片（靶面）尺寸就是字面意思，指的是相机感光芯片的长宽，通常相机厂商使用的都是英寸如单位（如2/3’’）,实际需要转换成mm为单位，我们通常采用下列公式：

1.6 分辨率

相机的传感器是有许多像素点按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像素来表示的。比如分辨率为1920*1080，那宽度方向的物理像元个数就是1920个，高度方向的像元个数就是1080个。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。相机的分辨率不一定越大越好，要从成本和项目需要进行选择。
常见的面阵相机分辨率有：

640 *480 —— 30万像素；1280 *960 —— 130万像素；1440 *1080 —— 160万像素；
1600 *1200 —— 200万像素；1920 *1080 —— 300万像素；2590 *1940 —— 500万像素等。

常见的线阵相机(一般指水平方向上的像素数，因为竖直方向上线阵相机像素数一般为1)分辨率有：

1024-1K      2048-2K	6144-6K

1.7 像元尺寸

像元尺寸指像素的长宽。在感光芯片尺寸一定的情况下，像元尺寸越小，分辨率越大，更有利于对图像的特征表达和缺陷检测。

例题：
像元尺寸为3.45μmx3.45μm，分辨率为2448x2048，计算感光芯片的尺寸？

1.8 帧率

帧率是指每秒采集的图像帧数，单位为FPS或者Hz。帧率决定单位时间内采图的数量，即采图速度。
面阵Sensor：fps 帧率，每秒采集的最大图片数量；
线阵Sensor：例16kHz 行频，每秒采集的最大行数，最大图像分辨率为分辨率（宽）*行频（例2048x16k）。

1.9 像元深度

像元(像素)的深度是指存储每个像素灰阶值所占用的存储空间位数，最常见的像元位深有8bit、16bit、24bit、32bit。像元/像素的深度决定着彩色图像每个像元能够表现的颜色数，或者确定灰度图像每个像元/像素可能得灰阶级数。
分辨率和像元深度决定着图像的内存大小。

1.10 常用的相机接口

GIGE千兆网接口：

• 千兆网协议稳定，使用方便，连接到千兆网卡上即可工作
• 传输距离远，可传输100米。
• 可多台同时使用，CPU占用率小。
  
  USB接口：
• 早期的USB2.0接口连接方便，几乎所有电脑都配置USB接口，无需采集卡。
• USB2.0接口传输速率慢，传输过程需要CPU参与管理，占用及消耗资源大。
• USB2.0接口一般没有固定螺丝，接口不稳定，在运动设备上有松动的风险。
• USB3.0在2.0基础上新增了两组数据线，向下兼容，解决了传输速度慢的问题，但传输距离依旧较近,不能超过5m。
  
  Camera Link接口：
• 需要额外购买图像采集卡（基本1w左右），成本高。
• Camera Link接口的相机，实际应用中比较少。
• 采用LVDS接口标准，速度较快，抗干扰能力强，功耗低。 传输距离近。
  

1.11 相机触发方式

• 软件触发模式：对动态检测以及产品通过连续运动触发信号的时候可以选择（软件控制）。
• 硬件触发模式：对高速动态检测以及产品通过高速运动触发信号的时候选择（传感器或者机械开关控制）。
• 连续采集模式：对静态检测以及产品连续运动不能够触发信号的时候选择。

1.12 相机与镜头接口类型

一般的相机都是C/CS接口的，需要注意与镜头的对应。如果有其它接口的镜头，也要考虑相机的接口。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头，CS接口的相机可以加一个转接头使用C接口的镜头。
F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型。
V接口镜头是Schneider(施奈德)镜头所主要使用的标准，一般也用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头。
注意相机的镜头的接口，否则可能出现买的相机和已有的镜头不兼容。

1.13 相机色彩的选择

如果项目是与图像颜色有关，采用彩色相机，否则建议用黑白的，不仅成本低而且精度高。

1.14 拖影

拍摄运动图像时，同一物体，在图片上重复成像的现象。原因是：运动的物体在感光芯片上所成的像，在曝光时间内，移动的距离超过一个像元尺寸。—根据这条，我们可以计算出需要的曝光时间从而避免拖影。

2.相机选型

相机的选型，首先要明确需求：1.检测精度 2.视野大小（FOV） 3.物体/相机是否运动
例子：已知客户的镜头尺寸是1/3，接口是CS接口，视野大小为12x10mm,要求的精度为0.02pixel/mm的精度，请问我们应该选择什么样的相机？

2.1 测量的精度和视野范围->确定相机的分辨率

一般情况下，相机像素精度要高于系统要求的精度，因此，在实际工业应用中，实际的分辨率是理论分辨率的3-5倍，一般取4。
理论分辨率(最低分辨率从)=（视野长边/理论精度）*（视野短边/理论精度）=(12/0.02)x(10/0.02)=600x500
实际分辨率=600x500x4=1200x1000（然后就近选择）

2.2 物体运动方式->相机的快门方式

运动物体选择全局快门；静止物体则选择卷帘快门。

2.3 物体的运动速度->相机的帧率

通常来说，相机的分辨率越低，同样的接口，帧率也会越高，而分辨率越高，帧率也会越低。帧率*分辨率≤总线带宽，即在接口一定(总线带宽已经确定)，分辨率一定时，帧率也是有其最大值的。即要想相机的分辨率快，又要想相机的帧率高，那么就需要找更大带宽的总线，也就是相机的输出接口。
根据检测的速度，选择相机的帧率一定要大于物体运动的速度，一定要在相机的曝光和传输时间内完成。

2.4 检测内容->彩色/黑白相机

如果是色彩识别、色彩缺陷检测等处理与颜色相关，则选择彩色相机，其他都使用黑白相机。相同分辨率，黑白相机精度高、对比度好等，价格便宜。
对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机，对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。

2.5 镜头和工作场景->相机的Sensor靶面尺寸

靶面尺寸的大小直接影响拍摄视野的大小。在同样的工作距离、同样的镜头下，传感器尺寸大，可以拍摄更大的视野。（想象小孔成像模型即可）。

2.6 帧率、传输距离、经济性->相机接口

目前市场上常见的相机接口 USB2.0、USB3.0、干兆网接口。
USB2.0理论带宽 450Mb/s，传输距离 5m。
USB3.0 理论带宽 5Gb/s，传输距离 5m。
千兆网接口理论带宽 1Gb/s，传输距离 100m。
Camera Link接口传输速度快，传输距离近，需要配套图像采集卡，成本高。

二、镜头参数解释和选型

镜头的是机器视觉中的重要组成部分，决定成像的质量，基本功能是实现光束调制，将目标物体成像在相机的光敏器件上，类似人眼的晶状体。镜头由于制造、运输等原因，会存在畸变，一般需要标定进行畸变矫正。

1.镜头参数

1.1 工作距离

工作距离指的是镜头的最下端到景物之间的距离。一般的镜头是可以看到无限远的，也就是说是没有上限的。
镜头上有两个刻度的调节圈分别是调节光圈和调焦圈，在调节圈上标有的刻度表示此时镜头的工作距离。

图片来源：镜头工作距离

1.2 视场（FOV）

视野指的是镜头能看到的最大范围，也就是镜头所能覆盖的有效工作区域。

1.3 景深（DOF）

在最小工作距离到最大工作距离之间的范围称为景深（纵向的范围），景深内的物体都可以清晰成像。景深一般可以通过光圈调节，光圈越小，景深越大。
下图为景深的原理图：

景深的计算公式为：
能成清晰像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深ΔL1，计算公式如下：

可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离成为后景深ΔL2，计算公式如下：

总景深等于前景深+后景深。

参数解释：

1. δ——容许弥散圆直径(mm)
2. f——镜头焦距（mm）
3. F——镜头的拍摄光圈值
4. L——对焦距离(mm)
5. ΔL1——前景深
6. ΔL2——后景深
7. ΔL——景深

从上述公式，可以看出：

1. 光圈越大，景深越小；反之。
2. 镜头的焦距越大，景深越小；反之。
3. 镜头的对焦距离越大，景深越大；反之。
   例题：
   求解f200/F2.8对焦在5m时，f/2.8的景深：δ=0.035mm，f=200mm， F=2.8，L=5000mm
   计算得：ΔL1=60mm，ΔL2=62mm，ΔL=122mm
   故，该镜头在用f/2.8拍摄时，清晰范围是从4.94m~5.062m，景深很浅。
   例题来源：求景深

1.4 焦距

成像面是入射光通过镜头后所成像的平面，这个面是一个圆形。焦距就是镜头到成像面的距离，单位是mm。一般通过标定获得。

注意：对于工业镜头而言，一般都是使用定焦镜头，也就是焦距f通常都是固定的。工业镜头，一般有光圈、对焦圈两个转环，我们使用对焦圈来改变透镜的位置时，其改变的距离有一定的限制。但这并不意味这我们使用的是变焦镜头。
在镜头选型时，一般相机的靶面尺寸是已知的，焦距的计算公式：

从上述公式可以看出，工作距离和焦距成正比，视野大小和焦距成反比。
例题：已知相机靶面的高度为3.6mm,镜头到物体工作距离是200mm，视野范围的高为不小于45mm,则求焦距为？
焦距f=(工作距离x靶面高度)/视野的高=（3.6x200）/45=16mm
故，选择的镜头的焦距不能大于16mm。

1.5 分辨率

镜头的分辨率一定要大于相机的分辨率;镜头的靶面尺寸也就是视野范围>=CCD的靶面尺寸，否则会出现黑边。

1.6 光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面光量的装置，在拍摄高速运动物体时候，由于曝光时间短，需要使用大光圈。光圈大小一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径直径D的比值来衡量，当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远（f越大），F值越大，光圈越小；反之，F值越小，光圈越大。（F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32…）

1.7 畸变

镜头由于制造的工艺、结构导致视野中局部放大倍数不一致造成图像扭曲，发生畸变，一般分为桶形畸变和枕形畸变，可以通过张定友标定法进行畸变矫正。

1.8 接口

C接口和CS接口：工业工业相机最常见的国际标准接口，C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm，所以CS型接口的工业相机使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头。
F接口镜头：尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型

2.镜头选型

1.镜头的分辨率和靶面都要大于等于相机的传感器的分辨率和靶面大小
2.根据相机靶面的边长、视野范围的大小、工作距离的大小计算焦距;就近选择焦距，记住焦距和工作距离成正比，和视野大小成反比，因此选择是大于计算出来的焦距还是小于，看项目对工作距离和视野的要求进行选择。

3.根据相机接口确定镜头接口。
4.注意：镜头的实际工作距离不能小于镜头的最短工作距离，否则对不上焦。
5.如果对景深有要求，还要计算景深是否满足要求。

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总结

本文详细的介绍了相机和镜头的参数和选型的注意事项，最后大家实际做项目需要选择相机或者镜头，有一个绝招：大家直接找经销商咨询，简单快捷。
参考资料：
[硬件选型] 工业相机之参数和选型
机器视觉——入门基础（三）——相机镜头选型
[硬件选型] 工业镜头之参数和选型
工业相机与镜头选型方法（含实例）