工業(yè)相機(jī)

一、 概述

憑我的經(jīng)驗，一般能帶上工業(yè)兩字的，和日常版最大的區(qū)別就是更穩(wěn)定、抗干擾能力更強(qiáng)（高溫、高壓、防塵、防水、防爆、抗電磁干擾等；列舉這么多，并不意味著必須帶有這些功能，這些功能通常是可定制的），當(dāng)然還有其他特點，比如接口可擴(kuò)展、定制性比較強(qiáng)等。

為什么需要這些功能？
因為工業(yè)環(huán)境比日常環(huán)境更復(fù)雜，設(shè)備可能運(yùn)行在極端環(huán)境下。

那是不是環(huán)境簡單些，工業(yè)級就退化成了民用級了呢？
也未必，工業(yè)級設(shè)備有一個比較突出的點就是需要長時間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣是電腦，工控機(jī)可能得全年無休開著。而民用PC，或許每天都會關(guān)機(jī)。（至于為何工控機(jī)就能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，與軟硬件都有一定關(guān)系，涉及方面比較多）。

扯遠(yuǎn)了，回到工業(yè)相機(jī)。
有了上面對工業(yè)兩字的了解后，可以知道工業(yè)相機(jī)相比于傳統(tǒng)民用相機(jī)，它具有更高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力（事實上，這句話是百度上的原話）。

在進(jìn)一步學(xué)習(xí)工業(yè)相機(jī)前，來聊聊工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用場景。

工業(yè)相機(jī)的使用場景，
如果平時有拍照需求會特意去搜工業(yè)相機(jī)嗎？一般不會，直接去電子產(chǎn)品店里找個單反或者拿手機(jī)拍不就行了（也不是說工業(yè)相機(jī)就比民用的高級、昂貴，人家玩單反的一個鏡頭幾萬的也有，工業(yè)相機(jī)便宜的也就幾百千把塊，所以它們是兩條分支）。

工業(yè)相機(jī)通常用在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，是其中關(guān)鍵的一環(huán)。本質(zhì)功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號，說人話就是在機(jī)器視覺系統(tǒng)中用來拍照（攝像）的（采集圖像）（這邊的工業(yè)相機(jī)指機(jī)體+鏡頭，如果細(xì)分的話，鏡頭（透鏡平行光入射成像）是成像，機(jī)體（內(nèi)部是感光芯片）是感光并且轉(zhuǎn)化為電信號傳輸出去）。

二、 相機(jī)參數(shù)

1. 傳感器芯片

1.1. CCD&CMOS

圖像采集和處理的過程，最基本的就是要把實物盡量真實地反映到虛擬的圖像中。

感光芯片設(shè)計思想：就是分割被描述的區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。

而CCD和CMOS是兩種不同的芯片，它們都能在相機(jī)中記錄光線變化。

1.2. CCD

CCD（Charge Coupled Device）是電荷耦合器件的簡稱。

• 它將大量獨(dú)立的光敏元件排列在一起
• 每個光敏元件稱為像素

像素，是圖像的基本單位，也是最小的視覺顯示單位。

目前主要有兩種類型的CCD光敏元件，分別是線性CCD和矩陣性CCD。線性CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次只拍攝圖象的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。矩陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖象中的一個像素，當(dāng)快門打開時，整個圖象一次同時曝光。

1.3. CMOS

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。它的制造技術(shù)和一般計算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電） 和 P（帶+電）級的半導(dǎo)體，這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。于是，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用于工業(yè)圖像處理。

1.4. 靶面

靶面，其實從字面意思比較好理解。
光線透過鏡頭后，成像打在感光芯片（傳感器）上。所以感光芯片是個靶子。
從靶面這個參數(shù)的單位是"（英寸），可以知道它指的是靶子（感光芯片）的大小（是靶子的對角線長度）。

??提示：
與靶面相關(guān)的一個參數(shù)是像面，像面就是鏡頭成像的像的大小，單位也是 " （英寸）。
光線穿過鏡頭成像后打在感光芯片上。
如果像面小于靶面，那么圖像周圍會出現(xiàn)黑色（黑角、暗角）的情況；
若像面大于靶面，那么像面的多余部分會被浪費(fèi)。
當(dāng)然，這并不意味著實際選型時，一定要像面等于靶面，一般來講像面大于等于靶面都可以。

1.5. 傳感器芯片選型

雖然從原理來講CCD和CMOS是不一樣的，且需要較專業(yè)的知識才能去深度認(rèn)識。
但對于工業(yè)相機(jī)選型來說，并不需要做太多區(qū)分。
因為它們兩者要做的事情是一樣的。
就現(xiàn)在來講（2022年），國內(nèi)市面上比較多見的是CMOS相機(jī)，其特點是幀率高、速度快、功耗低，成本相對較低。

靶面的話，是芯片尺寸，其實你也不需要太多關(guān)心。
反而是分辨率這種直觀的參數(shù)，你是需要去了解的。分辨率的長寬直接反映了圖像的比例以及清晰度。

所以選型時在相機(jī)傳感器芯片這塊，一般不需要去深度了解，實際選型的不太會去關(guān)心，你的相機(jī)是CCD的還是CMOS的，能達(dá)到效果即可（事實上，我和幾家供應(yīng)商交流時也沒有說到這個參數(shù)）。

2. 黑白o(hù)r彩色

同樣分辨率的相機(jī)，黑白的精度往往比彩色高，尤其是在看圖像邊緣時，黑白效果更好。做圖像處理，黑白工業(yè)相機(jī)得到的是灰度信息，可直接處理。

一般相機(jī)廠商的型號中，M是黑白（Mono），C是彩色（Color）。

3. 幀數(shù)

當(dāng)被測物體有速度要求時，就需要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)，一般分辨率越高，幀數(shù)就越低；

?4. 接口類型

類型	傳輸速率	有效工作距離	其他
USB 3.0	5Gbps 625MB/s	5m
GigE（千兆網(wǎng)）	1Gbps 125MB/s	100m
Camera Link	6.4Gbps 800MB/s	15m
CoaXPress1.0	6.25Gbps	50m
CoaXPress2.0	12.5Gbps

在項目和實驗中，對于低中速，常規(guī)的工業(yè)場景，常使用USB3.0、GigE接口的相機(jī)。所能帶動的幀率在30FPS-500FPS不等。

而在超高速領(lǐng)域，如：子彈發(fā)射、爆炸瞬間；或細(xì)胞微粒流動等微米納米尺度下的運(yùn)動場景，一般采用高速相機(jī)來進(jìn)行圖像的捕捉采集和分析。由于需要達(dá)到超高速采集1000FPS、2000FPS、10000FPS，需要Camera Link或CoaXPress來連接高速相機(jī)和主機(jī)。

4.1. POE供電

POE，(Power Over Ethernet)，指的是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)Cat.5布線基礎(chǔ)架構(gòu)不作任何改動的情況下，在為一些基于IP的終端（如IP電話機(jī)、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。

現(xiàn)在大部分相機(jī)都支持POE供電（網(wǎng)口供電）。
如果您不知道自己是否需要POE，我還是建議選擇帶POE的。
因為工業(yè)場景繁雜，未必有插座給你插電源。而且工業(yè)相機(jī)有時候是裝工廠天花板上的，那種場景要給它單獨(dú)供電很麻煩，線得拉很長。

POE供電所需要的線是超5類、6類線，并且連接的網(wǎng)口是要支持POE供電的。
一般的臺式機(jī)、筆記本是不支持的，但工控機(jī)的網(wǎng)口一般都支持（保險起見還是向供應(yīng)商說清楚支持POE供電）。

三、相關(guān)硬件

?1. 鏡頭

鏡頭選型是在相機(jī)選型之后，往往只需要告訴鏡頭供應(yīng)商物距&視野&相機(jī)參數(shù)，他們就能為你選出合適型號。

1.1. 焦距

焦距是鏡頭上一個重要的參數(shù)，以“mm”為單位。
焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式。

指平行光入射時從透鏡光心（上圖中的光學(xué)中心）到光聚集之焦點的距離。
很顯然，具有短焦距的光學(xué)系統(tǒng)比長焦距的光學(xué)系統(tǒng)有更佳的聚光能力（焦距短，說明平行光通過透鏡能更好地聚集起來）。
照相機(jī)中 焦距f＜像距2f才能成像。

?1.2. 視野

這是一個很重要的參數(shù)，指的是您想要拍攝的區(qū)域范圍（放在鏡頭標(biāo)題下可能不是很合適）。
即使您對硬件的參數(shù)一點都不了解，也必須知道想要拍攝的目標(biāo)區(qū)域，聯(lián)系供應(yīng)商咨詢工業(yè)相機(jī)時，銷售肯定會問你的。通常只需要告訴他們，區(qū)域大概多大就行了，比如區(qū)域是3m*1m的大?。ㄓ捎趹?yīng)用場景的問題，單位通常會是mm，3000mm*1000mm）。

?1.3. 物距

物距，顧名思義，就是要拍攝的目標(biāo)物體與鏡頭之間的距離（在物理學(xué)中，物距就是指物體到透鏡光心的距離，這邊可以看作與鏡頭間距離）。

這個參數(shù)和視野差不多，沒有太多專業(yè)性，但是需要您根據(jù)實際情況而定。

1.4. 景深

我們拍攝物體時，需要對/調(diào)焦，當(dāng)您看到的圖像是清晰時，便認(rèn)為是對上焦了。
理論上來說，真正能合焦的只有一個平面；但實際上，在對上焦后，前后稍微轉(zhuǎn)動調(diào)焦環(huán)，看到的圖像都還是清晰的（這是因為各種誤差，包括人眼識別度的問題導(dǎo)致的）。而這一段清晰的距離就是景深。

?1.5. 調(diào)焦

調(diào)焦或叫對焦、聚焦—指改變像距v，也就是改變鏡頭光心到底片平面的距離，以獲得本物體清晰像的調(diào)節(jié)過程。

我們知道透鏡成像的原理，像在屏上（相機(jī)的底片或者感光元件）總有一個最清晰的位置，這是光線匯聚的位置，無數(shù)個點構(gòu)成了一個平面，這里就叫做焦平面。調(diào)焦也就是改變焦點的前后位置（改變焦點的位置不代表改變焦距，只是移動了鏡片，讓焦點位置發(fā)生移動）。

為什么需要調(diào)焦？
在一次調(diào)焦后，讓物體清晰成像不就代表像正確地落在了感光芯片上嗎？
因為您幾次拍攝的物體遠(yuǎn)近不同，角度不同，物距是在變化的；您拍一米距離的物體調(diào)清晰了不代表五米十米的也會清晰。

但工業(yè)場景下，如果你拍攝的物距基本固定，那通常調(diào)一次就好了。

1.6. 鏡頭的一些理論小知識

只是選型的話，注意物距&視野這兩個參數(shù)就可以了。
感興趣的小伙伴可以繼續(xù)往下看，有了上面三個參數(shù)之后，再結(jié)合高斯成像公式和下表的初中物理知識，

$高斯成像公式：$
$$1/u+1/v=1/f$$

工業(yè)相機(jī)實際使用，物距u 肯定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 焦距f 的，u > 2f 會生成倒立縮小的像，這就是透鏡成像應(yīng)用在相機(jī)中的原理。

正如前面所說，倒立縮小的像會打在感光芯片上，光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過工業(yè)相機(jī)的輸出端口輸出到外部系統(tǒng)。而您得到的圖像精度，與感光芯片上的元件有關(guān)，感光芯片的顆粒越小，往往越精細(xì)。

再如前面所說，
若像面 等于 靶面，則通過透鏡成像的大小正好完完全全打在整個感光芯片上，那有效利用整個芯片，非常好；如果像面大于靶面，最終得到的圖像只是像面的一部分，就像圖片裁剪了一樣；反之，圖像會出現(xiàn)暗角。

工業(yè)鏡頭選型中，焦距往往是固定的（定焦）。

不過最終選型時，您只需要確定物距。供應(yīng)商會根據(jù)情況為您選鏡頭。

2. 光源

光源就是發(fā)光的物體，比如燈泡。
工業(yè)相機(jī)的配件中往往有它。
因為工業(yè)場景可能光線不好，這時就需要配光源。
光源的選擇因?qū)嶋H情況而定，如果現(xiàn)場光線不好，最好配光源，增強(qiáng)成像效果；
如果光線不錯，不配也沒事。
還有的情況，為了突出目標(biāo)物體，需要打特殊的光。

3. 控制器

控制器其實就是一臺PC，只是它專用于去控制視覺硬件（相機(jī)、光源）且一般會進(jìn)行一定的圖像處理。

可以說它是視覺子系統(tǒng)，會接一定數(shù)量的相機(jī)。然后將相機(jī)的圖像做一定處理后，輸出到外部系統(tǒng)匯總起來。它幾乎不做圖像處理之外的事。

但控制器不是必須的，您完全可以將相機(jī)的圖像直接輸出到您的PC上，然后做您的處理。

4. 工控機(jī)

工控機(jī)的選型上注意幾點：

1. 性能：是否能滿足處理需求，比如我要接100個相機(jī)，就用一臺機(jī)器，那一般是拖不過來的（事實上，在網(wǎng)絡(luò)傳輸這塊就很容易出問題）。
2. 接口：工控機(jī)上往往運(yùn)行著匯總的上位機(jī)，那要接的設(shè)備非常多，接口上一定得夠且有一定預(yù)留。
3. 存儲空間：看與服務(wù)器分體還是一體。

5. 線纜

涉及的線纜無非是電源線和網(wǎng)線。
如果是POE供電，電源線就不需要了。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-535962.html

6. 交換機(jī)

四、參考

• 工業(yè)相機(jī)原理及選型指導(dǎo)

到了這里，關(guān)于機(jī)器視覺_工業(yè)相機(jī)及相關(guān)配件選型的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！