计算机视觉硬件整理（四）：相机与镜头参数介绍

前言

随着科技的飞速发展，工业自动化和智能制造在当今社会扮演着越来越重要的角色。在这个背景下，工业相机作为一种关键的视觉检测工具，已经成为生产线上的“火眼金睛”。与传统的消费级相机不同，工业相机具有更高的稳定性、精确性和适应性，能够在各种严苛的环境下稳定工作，为工业生产提供高效、可靠的视觉数据支持。本博客将带您深入了解工业相机的各项参数和特点，探讨其在不同工业领域的应用，以及如何选择合适的工业相机以满足生产需求。

一、工业相机常用分类

a.按芯片类型可分为：CCD相机、CMOS相机
b.按传感器的结构特性可分为：线阵相机、面阵相机
c.按扫描方式可分为：隔行扫描相机、逐行扫描相机
d.按分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机
e.按输出信号的方式可分为：模拟相机、数字相机
f.按出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机

二、工业相机的基本参数

1).分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数(Piels)，对于数字工业相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768576，NTSC制为640480。
2).像素深度(Pixel Depth)：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
3).像元尺寸(Pixel Size)：在摄影和成像领域，是指图像传感器上一个单独像元的物理尺寸，通常以微米（μm）为单位。像元是构成数字图像的最小单元，每个像元能够捕获并记录光线信息，最终形成完整的图像。像元尺寸指的是图像传感器上单个像元的宽度或高度。例如，如果一个像元的尺寸是5μm，那么这意味着每个像元占据5微米的面积。
4).帧速率(Frame Rate)：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。
5).曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter)：对于线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10μm，高速工业相机还可以更快。
6).传感器尺寸(Sensor Size) ：如1/2”、1/3”、2/3”等。传感器尺寸越大，理论上可以聚集更多的感光单元，可以获得更高的相素。在相素不变的情况下，相机传感器尺寸越大，噪点控制能力越强，因为单个感光元件之间的间距越大，相互之间的信号干扰越小。

三、工业相机的接口

工业相机通常用于机器视觉系统，其接口类型对于确保图像数据的稳定传输和系统的兼容性至关重要。以下是一些常见的工业相机接口：

1. Camera Link接口： Camera Link是一个高速、高带宽的接口，专为机器视觉应用设计。
   它支持多个数据通道，可以提供很高的数据传输速率，适合高分辨率和高速图像捕获。 Camera
   Link通常用于需要高帧率和大数据量的应用场合。
2. CoaXPress接口： CoaXPress是一种基于同轴电缆的高速接口，它结合了高速数据传输和长距离传输的能力。 它支持高达6.25
   Gbps的传输速率，并且可以通过多个通道实现更高的带宽。 CoaXPress接口也提供了电源和触发信号，简化了系统的布线。
3. GigE Vision接口： GigE Vision是基于千兆以太网的接口标准，它利用标准以太网硬件进行图像数据传输。
   优点是传输距离远，可达100米，并且易于集成到现有的以太网网络中。 适合中到高分辨率的应用，数据传输速率受限于网络带宽。
4. USB接口： USB接口因其易用性和普及性而被广泛用于工业相机。 USB
   3.0接口提供了较高的传输速率，但传输距离相对较短，通常不超过5米。 适合低成本和便携式的机器视觉应用。
5. IEEE 1394接口（FireWire）： IEEE 1394，也称为FireWire，提供高速数据传输，但逐渐被USB
   3.0和GigE Vision取代。 它支持热插拔和即插即用，适合需要中等数据传输速率的应用。
6. CSI/MIPI接口： CSI（Camera Serial Interface）和MIPI（Mobile Industry
   Processor Interface）是专为移动设备和嵌入式系统设计的接口。
   这些接口通常用于集成到智能手机和其他便携式设备中的相机模块。
7. HDMI/DVI接口： HDMI（High-Definition Multimedia Interface）和DVI（Digital
   Visual Interface）主要用于视频输出，但某些工业相机也支持这些接口用于图像传输。
   这些接口适用于需要高分辨率视频输出的应用。

选择工业相机接口时，需要考虑以下因素：

数据传输速率：确保接口能够满足应用对数据传输速度的要求。
传输距离：根据相机与处理单元之间的距离选择合适的接口。
兼容性：确保相机接口与现有系统或设备兼容。
成本：不同接口的相机成本可能会有所不同，需要根据预算进行选择。

工业相机接口的选择对整个机器视觉系统的性能和可靠性至关重要，因此需要根据具体的应用需求来做出合理的选择。

四、工业镜头的参数

1.视场(Field Of View，即FOV，也叫视野范围)：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的）

2.工作距离(Working Distance，即WD)：指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调、包括是否有安装空间等）。

3.分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。

4.景深（Depth of Field，简称DOF）是摄影和电影制作中的一个术语，指的是在摄影机或摄像机镜头中，图像中物体从最近清晰点到最远清晰点的距离范围。在这个范围内的物体在照片或电影画面中看起来是清晰的，而超出这个范围的前景和背景则会显得模糊。
以下是影响景深的主要因素：

1. 光圈大小： 光圈越大（即f数越小，例如f/1.8），景深越浅。 光圈越小（即f数越大，例如f/16），景深越深。
2. 焦距： 焦距越长，景深越浅。 焦距越短，景深越深。
3. 物距（相机与被摄物体的距离）： 物距越大，景深越深。 物距越小，景深越浅。
4. 像距（镜头到成像平面的距离）： 像距通常由镜头的设计决定，但在某些可换镜头或可调镜头的相机中，像距可以变化。
5. 感光元件尺寸： 感光元件（如胶片或数码相机的传感器）尺寸越大，景深越深。 感光元件尺寸越小，景深越浅。

5.焦距（f）：焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大；焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。）

6.失真（Distortion）：（衡量镜头性能的指标之一）又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。
7.光圈与F值：光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4、f2、f4。光圈越大，图像亮度越高；景深越小；分辨率越高；

五、工业镜头的选择要点

对镜头的选择，我们首先必须的了解客户的需求：
1.视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。
2.景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。
3.芯片大小和相机接口：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。
4.注意与光源的配合，选配合适的镜头 。
5.可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。