工業(yè)相機(jī)與鏡頭介紹及選型方法

一、相機(jī)介紹及選型方法

1.工業(yè)相機(jī)介紹

工業(yè)相機(jī)與我們手機(jī)上面的相機(jī)或者我們單反相機(jī)不同，工業(yè)相機(jī)它能夠使用各種惡劣的工作環(huán)境，比如說高溫，高壓，高塵等。工業(yè)相機(jī)主要有面陣相機(jī)和線陣相機(jī)，線陣相機(jī)主要用于檢測精度要求很高，運(yùn)動速度很快的場景，而面陣相機(jī)應(yīng)用更為廣泛。

線陣相機(jī)

這種相機(jī)呈現(xiàn)出線狀，一般上只在兩種情況下使用這種相機(jī)，

一是被檢測視野為細(xì)長的帶狀，多用在滾筒上檢測;二是需要很大的視野和很高的精準(zhǔn)度。我們看到的線陣相機(jī)的物體二維圖像是通過多次線陣掃描組合形成的。

線陣相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是可以做很多一維像元數(shù)，而且總像元數(shù)也比面陣相機(jī)少，像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動態(tài)目標(biāo)的測量。

面陣相機(jī)

面陣相機(jī)機(jī)器視覺應(yīng)用更加廣泛。面陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是可以直接獲取二維圖像信息，測量圖像直觀?？梢远虝r曝光，利于搶拍動態(tài)景物，也可以拍靜態(tài)景物。由于我平時使用的基本都是面陣相機(jī)，所以這里主要介紹面陣相機(jī)的選型。

2.工業(yè)相機(jī)選型

（1）CCD/CMOS

如果拍攝目標(biāo)是靜態(tài)不動的，為了節(jié)約成本，可考慮使用CMOS相機(jī)，而如果目標(biāo)是運(yùn)動的，則優(yōu)先考慮CCD相機(jī)。如果是需要高速采集的，這里指的高速是很高的采集速度，而非指很高的運(yùn)動速度，可以考慮CMOS相機(jī)，因?yàn)镃MOS的采集速度會優(yōu)于CCD。如果需要高質(zhì)量的圖像，如進(jìn)行尺寸測量，可以考慮CCD，在小尺寸的傳感器里，CCD的成像質(zhì)量還是要優(yōu)于CMOS的。CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用在運(yùn)動物體的圖像提取，在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)用越來越廣泛。

（2）接口：工業(yè)相機(jī)的前面就是用來接鏡頭，都是有專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)接口。它的后面，一般有兩個接口，一個是電源接口，一個是數(shù)據(jù)接口。?工業(yè)相機(jī)的接口分為：USB 2.0/3.0、CamerLink、Gige、1394a/1394b、CoaXPress等類型的接口。這里只介紹幾種常用的接口類型。

USB接口：支持熱拔熱插、使用便捷、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可連接多個設(shè)備、相機(jī)可通過USB線纜供電。但沒有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、主從結(jié)構(gòu)，CPU占用率高、帶寬沒有保證。usb3.0的接口一般都是可以自供電。但是也可以再接一個電源，假如usb接口供電不穩(wěn)定的話，那么就可以選擇外接電源來進(jìn)行供電。

Gige千兆以太網(wǎng)接口：是一種基于千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)的相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)；適用于工業(yè)成像應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸無壓縮視頻信號；拓展性好，傳輸數(shù)據(jù)長度最長可伸展至100m（轉(zhuǎn)播設(shè)備上可無限延長）；帶寬達(dá)1Gbit，因此大量的數(shù)據(jù)可即時得到傳輸；?可使用標(biāo)準(zhǔn)的NIC卡（或PC上已默認(rèn)安裝）；經(jīng)濟(jì)性好，可使用廉價電纜（可使用通用的Ethernet電纜（CAT-6）和標(biāo)準(zhǔn)的連接器；可以很容易集成，且集成費(fèi)用低；可管理維護(hù)性及廣泛應(yīng)用性。

Camerlink接口：?是一種串行通訊協(xié)議。采用LVDS接口標(biāo)準(zhǔn)，具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低。從Channel link技術(shù)上發(fā)展而來的，在Channel link技術(shù)基礎(chǔ)上增加了一些傳輸控制信號，并定義了一些相關(guān)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議采用MDR-26針連接器。高速率，帶寬可達(dá)6400Mbps、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低。

Gige接口簡單方便的進(jìn)行多相機(jī)設(shè)置，支持100米線材輸出。Camera Link接口是專門針對高速圖像數(shù)據(jù)需求的標(biāo)準(zhǔn)接口。USB 3.0接口具有簡單易用，實(shí)時性好的特點(diǎn)。目前在機(jī)器視覺中，應(yīng)用最廣泛的接口是Gige（以太網(wǎng)）接口，以太網(wǎng)接口在傳輸速度、距離、成本等方面較其他接口具有很大的優(yōu)勢。

（3）分辨率

其實(shí)從這里才算是正式開始相機(jī)的選型。在介紹選型方法之前，有必要介紹一下分辨率、像素、精度、像元尺寸、傳感器尺寸之間的關(guān)系，不少人總?cè)菀自谶@里弄混。

相機(jī)分辨率，相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，也是指這個相機(jī)總共有多少個感光晶片，通常用萬個為單位表示，以矩陣排列，通常相機(jī)產(chǎn)品在介紹時會說有千萬像素、百萬像素等。例如百萬像素相機(jī)的像素矩陣為WxH=1000x1000。像素的大小是沒有固定長度值的，不同設(shè)備上1個像素色塊的大小是不一樣的。每一個小方塊都有一個明確的位置和被分配的色彩數(shù)值，而這些小方塊的顏色和位置決定了該圖像所呈現(xiàn)出來的樣子。

（4）傳感器尺寸

傳感器（CCD/CMOS）尺寸的表示方法大惑不解，因?yàn)橄?/1.8英寸、2/3英寸之類的尺寸，既不是任何一條邊的尺寸，也不是其對角線尺寸，看著這樣的尺寸，往往難以形成具體尺寸大小的概念。

靶面尺寸=對角線尺寸

靶面面積=傳感器寬度x傳感器高度

圖片摘自：https://www.sohu.com/a/217733287_665222

傳感器尺寸大，在同樣的像素密度下，像元尺寸也會大，這樣會增加每個像元的感光面積，對提高圖像的質(zhì)量有益。傳感器的尺寸，還能決定視野大小與工作距離。在同樣的工作距離、同樣的鏡頭下，傳感器尺寸大，可以拍攝更大的視野。

（5）像元尺寸
? ? ? ?有了相機(jī)分辨率和傳感器尺寸，就能夠計(jì)算像元尺寸。

像元尺寸=傳感器尺寸/分辨率（像元個數(shù)）

這樣就會分別得到寬度及高度上的像元尺寸

像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實(shí)際物理尺寸，例如3.75umx3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。是不是有些迷惑了，聽起來感覺和前面所說的相機(jī)分辨率很像，前面的相機(jī)分辨率值越小，分辨率高，這里是像元尺寸越大，靈敏度越高。是兩個不同的概念。
?

（6）精度

精度指一個像素表示實(shí)際物體的大小，用（um*um）/pixel表示。注意，像元尺寸并不等于精度，像元尺寸是相機(jī)機(jī)械構(gòu)造時固定的，而精度與相機(jī)視野有關(guān)，是變化的。精度值越小，精度越高。

單個像素對應(yīng)的大小=視野寬/寬度分辨率 =視野高/高度分辨率

補(bǔ)充：考慮到相機(jī)邊緣視野的畸變以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，一般不會只用一個像素單位對應(yīng)一個測量精度值，有時候根據(jù)光源的不同會提高計(jì)算的值，使用背光源的精度為1~3個像素，使用正光源的精度為3~5個像素：

例如：使用500W像素相機(jī) 分辨率為2500*2000 視野為100mm*80mm
? ? ? ? ? ?單個像素對應(yīng)大小 = 0.04mm
? ? ? ? ? 背光的精度為 0.04mm~0.12mm
? ? ? ? ? 正光的精度為 0.12mm~0.20mm

注意這里的意思，也就是說當(dāng)我們已知精度去計(jì)算分辨率時，往往要選擇比計(jì)算值更大的分辨率相機(jī)，才能滿足要求。

（7）圖片分辨率

圖像分辨率比較好理解，就是單位距離內(nèi)的像用多少個像素來顯示，與精度意義相同，只是表示方法不同。

? ? 選型基本原則

當(dāng)視野大小即檢測目標(biāo)大小一定時（選相機(jī)時一般將目標(biāo)大小視為視野大?。?，相機(jī)分辨率越大，精度越高，圖像分辨率也越大；當(dāng)視野大小不確定時，不同分辨率相機(jī)也能達(dá)到同樣的精度，這時選擇大像素相機(jī)可以擴(kuò)大視野范圍，減少拍攝次數(shù)，提高測試速度。若1個是1百萬像素，另1個是3百萬像素，當(dāng)清晰度相同（精度均為20um/pixel）,第1個相機(jī)的FOV是20mm×20mm＝400平方mm，第二個相機(jī)的FOV是1200平方mm,拍攝生產(chǎn)線上同樣數(shù)量的目標(biāo)，假設(shè)第1個相機(jī)要拍攝30個圖像，第2個相機(jī)則只需拍攝10個圖像就可以了。

二、鏡頭介紹及選型方法

1.鏡頭介紹

鏡頭作為機(jī)器的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)物體的圖像聚焦在圖像傳感器（相機(jī)）的光敏器件上。數(shù)據(jù)系統(tǒng)所處理的所有圖像信息均需要通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。

（1）工作距離（Working Distance）

工作距離指的是鏡頭的最下端到景物之間的距離。一般的鏡頭是可以看到無限遠(yuǎn)的，也就是說是沒有上限的。

我們需要注意的是“最小工作距離”在鏡頭上有兩個有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個是調(diào)節(jié)光圈的，另一個是調(diào)焦的，在調(diào)焦的刻度圈上標(biāo)有此鏡頭的工作距離從最近到最遠(yuǎn)是多少。

（2）視場（Field of view, 即FOV，也叫視野范圍）

視野指的是鏡頭能看到的最大范圍，也就是鏡頭所能覆蓋的有效工作區(qū)域。

（3）景深(Depth of view，即DOF)

景深與視野相似，不同的是景深指的是縱深的范圍，視野指的是橫向的范圍。在最小工作距離到最大工作距離之間的范圍稱為景深，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。景深一般可以通過光圈調(diào)節(jié)，光圈越小，景深越大。

可成清晰像的最遠(yuǎn)的物平面稱為遠(yuǎn)景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離成為后景深△L1；能成清晰像的最近物平面稱為近景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離稱為前景深△L2；景深=前景深+后景深，景深計(jì)算公式為：

前景深ΔL1=FδL^2/（f^2+FδL）　（1）　　

后景深ΔL2=FδL^2/（f^2-FδL）　（2）　　

景深ΔL=ΔL1+ΔL2=（2f^2FδL^2）/（f^4-F^2δ^2L^2）　

（由于第一次寫博客，還不太會編輯公式，L^2就是L的平方的意思）

δ——容許彌散圓直徑，f——鏡頭焦距，F(xiàn)——鏡頭的拍攝光圈值，L——對焦距離

ΔL1——前景深，ΔL2——后景深，ΔL——景深

從公式(1)和(2)可以看出，后景深 > 前景深。

由景深計(jì)算公式可以看出，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)

(1)、鏡頭光圈：

光圈越大，景深越??；光圈越小，景深越大；

(2)、鏡頭焦距

鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；

(3)、拍攝距離

距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。

總結(jié)：對于對景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項(xiàng)目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。

網(wǎng)上有些在線的景深計(jì)算器，有興趣的網(wǎng)友可以自行搜索查詢計(jì)算，以下是兩個景深的計(jì)算實(shí)例：

(1)、200/2.8對焦在5m時，f/2.8的景深：

δ=0.035mm，f=200mm， F=2.8，L=5000mm

計(jì)算得：ΔL1=60mm，ΔL2=62mm，ΔL=122mm

結(jié)論：該鏡頭在用f/2.8拍攝時，清晰范圍是從4.94m~5.062m，景深很淺。

(2)、200/2.8+2X=400/5.6對焦在5m時，f/5.6的景深：

δ=0.035mm，f=400mm，F(xiàn)=5.6，L=5000mm

ΔL1=30mm，ΔL2=31mm，ΔL=61mm

結(jié)論：該鏡頭在配合2X增距鏡后，主鏡頭用f/2.8拍攝時，景深是(1)的一半。

（4）焦距（focal length）

要了解焦距首先要知道成像面，那成像面又是什么呢？成像面是入射光通過鏡頭后所成像的平面，這個面是一個圓形。

焦距就是鏡頭到成像面的距離，一般你問廠家鏡頭的時候，廠家一般都會問你需要焦距是多少的鏡頭，比如：50mm鏡頭，8mm鏡頭還是75mm鏡頭等。這些就是鏡頭到成像面的距離，也就是焦距。單位是毫米。但是在實(shí)際使用中，往往需要相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定的主要參數(shù)就是相機(jī)焦距。對于工業(yè)鏡頭而言，一般都是使用定焦鏡頭，也就是焦距f通常都是固定的。工業(yè)鏡頭，一般有光圈、對焦圈兩個轉(zhuǎn)環(huán)，我們使用對焦圈來改變透鏡的位置時，其改變的距離有一定的限制。但這并不意味這我們使用的是變焦鏡頭。

（5）視角（visual angle）

視角顧名思義就是視線的角度，也就是鏡頭能看多“寬”。焦距越小，視角越大；最小工作距離越短，視野越大。

對于普通的鏡頭來說，選擇原則是：工作距離越近越好，鏡頭的畸變越小越好，視野越大越好。

（6）分辨率（resolution ratio）

圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗(yàn)物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情況下，視野越小，分辨率越好。

（7）光圈：（Iris）

光圈是一個用來控制光線透過鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置，在拍攝高速運(yùn)動物體時候，由于曝光時間短，需要使用大光圈。

光圈大小一般用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑直徑D的比值來衡量，當(dāng)光圈物理孔徑不變時，鏡頭中心與感光器件距離越遠(yuǎn)，F(xiàn)值越大，光圈越??；反之，F(xiàn)值越小，光圈越大。

一般通過調(diào)整通光孔徑大小來調(diào)節(jié)光圈，完整的光圈數(shù)值系列如下：F1，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44，F(xiàn)64。

（8）鏡頭畸變

鏡頭在成像時，特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場，圖像會產(chǎn)生形變，這種情況叫做鏡頭的畸變，這是由于鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)和成像特性導(dǎo)致的，原因是由于視野中局部放大倍數(shù)不一致造成的圖像扭曲。

拍攝的視場越大，所用的鏡頭的焦距越短，畸變的程度就越明顯，一般有桶型畸變和枕型畸變兩種，可以通過圖像標(biāo)定減弱這種平面畸變的影響。

（9）接口及最大兼容CCD尺寸

鏡頭接口只要可跟相機(jī)接口匹配安裝或可通過外加轉(zhuǎn)換口匹配安裝就可以了，其一般的接口是C口跟CS口，這兩者主要的區(qū)別是圖像傳感器與鏡頭之間的距離不同這兩者類型的接口沒有細(xì)分的，其C口的大小全都都一樣，；

所有鏡頭都只能在一定的范圍內(nèi)清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指鏡頭能支持的最大清晰成像的范圍。在實(shí)踐選擇相機(jī)和鏡頭時，要注意所選擇的鏡頭的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相機(jī)芯片的尺寸。

2.鏡頭選型方法（含相機(jī)）
已知：被檢測物體大小為A×B,要求精度小于C，工作距離為D
(1). 計(jì)算短邊對應(yīng)的像素?cái)?shù)E=B/C，相機(jī)長邊和短邊的像素?cái)?shù)都要大于E；

即相機(jī)最小分辨率為：E×E

這里并不能完全確定相機(jī)的傳感器尺寸，雖傳感器尺寸與視野等有一定關(guān)系，但沒有直接公式關(guān)系，因?yàn)殓R頭的選擇會依賴相機(jī)（分辨率、接口），后面可以根據(jù)鏡頭的選型反推這里相機(jī)是否正確。

這里可以暫定相機(jī)C接口，2/3英寸，得到相機(jī)傳感器短邊尺寸G

（2）可求得：
像元尺寸=傳感器尺寸/分辨率（像元個數(shù)）=G/E

放大倍率=所選相機(jī)傳感器短邊尺寸/相機(jī)短邊的視野范圍=G/B

由于相機(jī)確定，那么我們可以先確定需要的工業(yè)鏡頭是C接口，最少支持2/3"，
（3）焦距=（工作距離D×相機(jī)傳感器短邊尺寸G）/物體寬度B? ? 單位：mm（焦距越小，視場角就越大，視野也就相應(yīng)的更大，因?yàn)榻咕嘁话阌泄潭ǖ闹?，?mm，8mm,所以實(shí)際焦距可以相應(yīng)選小一號的）