1、相機成像系統(tǒng)模型

1.1 視場

視場（Field of View，F(xiàn)OV）指成像系統(tǒng)中圖像傳感器可以監(jiān)測到的最大區(qū)域。在機器視覺系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到一般都會使被檢測目標(biāo)盡量填滿整視場，因此常用視場大小代替目標(biāo)的最大長度Lmax來計算視覺系統(tǒng)的像素分辨率。

如果橫縱方向上視場大小為[FOVh，F(xiàn)OVv]，檢測目標(biāo)的最小特征的大小為[Ih，lv]，則圖像傳感器應(yīng)具有的最小像素分辨率為：
$$R_{min}=[\frac{FO{V}_h}{l_h}\times P_{min},\frac{FO{V}_v}{l_v}\times P_{min}]$$

• $$P_{min}:最小特征的像素數(shù)$$
  成像系統(tǒng)視場的大小可以通過研究其成像規(guī)律得知。目前，機器視覺系統(tǒng)常用使用配備各種鏡頭系統(tǒng)的工業(yè)CCD/CMOS相機作為成像系統(tǒng)，透鏡成像示意圖如下所示：
  
  鏡頭系統(tǒng)一般使用透鏡系統(tǒng)，其成像遵循高斯成像公式：

$$\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$$

• f為焦距
• u為物距
• v為像距（實正虛負)

通常將像距與物距的比值定義為透鏡的放大率M：
$$M=\frac{u}{v}$$

1.2 成像簡化模型

由于對機器視覺成像系統(tǒng)來說，相機鏡頭到所檢測目標(biāo)的距離（稱為工作距離，相當(dāng)于物距）相對于相機焦距可近似認(rèn)為是無窮遠。若將其帶入高斯成像公式，可得出此時相機像距近似等于其焦距，也就是說相機成像在焦平面上。據(jù)此，可以將鏡頭系統(tǒng)抽象為類似小孔成像的簡化模型。

根據(jù)該簡化模型，可以得出機器視覺系統(tǒng)圖像傳感器尺寸S（傳感器平面某個方向上的長度)、視場FOV、工作距離WD及鏡頭焦距f之間的約束關(guān)系：
$$\frac{S}{FOV}=\frac{f}{WD}$$

2、工業(yè)相機參數(shù)

2.1 分辨率

分辨率是相機最基本的參數(shù)，由相機所采用的芯片分辨率決定，在采集圖像時，相機的分辨率對檢測精度有很大的影響，在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節(jié)的展示越明顯。
常用的工業(yè)面陣相機分辨率有500萬、1200萬、6500萬等。對于線陣相機而言，分辨率就是傳感器水平方向上的像素數(shù)，常見有2K、4K、8K、16K等。

2.2 靶面尺寸

英寸和毫米的換算關(guān)系是：1英寸（inch） = 25.4 mm。
但是對于一款CMOS成像芯片，雖然標(biāo)稱它的對角線尺寸為1英寸，實際測量只有大約16mm，和25.4mm相差甚遠。這是為什么呢？
這實際上是一個歷史遺留問題.最早的電視攝像機的核心元件是真空攝像管。那時候的真空攝像管看起來都差不多，它們被封裝在圓柱形的玻璃外殼中，最常見的玻璃圓柱的外徑尺寸就是1英寸，還有2英寸、3英寸等等。針對這種老式顯像管，它真正能夠顯示的圓面直徑只有16mm，遠沒有1 英寸這么大（要考慮到外殼封裝占據(jù)的空間）。當(dāng)時為了相互交流溝通的方便，一般都是以顯像管的外徑的數(shù)值來指代其成像范圍，即便后來出現(xiàn)了CCD和CMOS成像芯片，但是這種度量方式卻被一直繼承了下來。

所以，在工業(yè)相機領(lǐng)域，成像元件中提到的“英寸”這個單位，已經(jīng)不能按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1英寸=25.4mm來計算了，而要按 1英寸=16mm 來計算。它嚴(yán)格遵守了Optical Format規(guī)范，中文譯名為光學(xué)格式，其數(shù)值稱為OF值，單位為英寸。

另外需要說明的是，并不是所有的CMOS芯片都是按照 1英寸=16mm 來計算長度的，這要看CMOS對角線長度來定：只有CMOS對角線長度≥8mm時，才會使用16mm規(guī)范，此時1英寸=16mm。比如1/2 的芯片，對應(yīng)對角線真實尺寸大約是8mm。對于對角線長度小于8mm的CMOS，使用18mm規(guī)范，此時1英寸=18mm，比如1/2.55英寸的芯片，其對角線的真實尺寸大約是7mm。

下圖為不同畫幅的CMOS（或者CCD）的真實尺寸對比。一般來說，如果CMOS尺寸大于2英寸，就不再使用英寸來劃分，而是給它取一個特定的名稱，比如APS畫幅，全畫幅，中畫幅，大畫幅等等。

2.3 像元尺寸

像元即影像單元，是組成數(shù)字化影像的最小單元。

• 像元尺寸和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶面的大小，通常工業(yè)相機像元尺寸為2μm~14μm。

像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應(yīng)能力，一般情況下，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。

2.4 幀率/行頻

工業(yè)相機的最大幀率/行頻表示單位時間內(nèi)相機采集圖像的速率。

• 通常幀率是相對于面陣工業(yè)相機來說的，單位是fps，如181fps，即相機每秒內(nèi)最多可采集181幀圖像。
• 行頻是相對于線陣工業(yè)相機來說的，單位是kHz，如80kHz，即相機每秒內(nèi)最多可采集80000行圖像數(shù)據(jù)。

2.5 像素深度

像素深度是指每位像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用多少比特位表示。一般，每個像素的比特位數(shù)多，表達圖像細節(jié)的能力強，這個像素的灰階值更加豐富、分得更細，像素的灰階深度就更深，但同時數(shù)據(jù)量也越大，影響系統(tǒng)的圖像處理速度，因此也需慎重選擇。

2.6 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是用來描述每個像素能夠分辨出的灰度等級，寬動態(tài)范圍能夠使場景中亮場和暗場部分的細節(jié)同時被清晰的記錄下來。
動態(tài)范圍值越大，意味著工業(yè)相機可以拍攝物體明暗程度的范圍越寬。

2.7 信噪比

工業(yè)相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標(biāo)之外的信號。
根據(jù)歐洲機器視覺協(xié)會(EMVA)的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)中定義的相機中的噪聲，總體上分為兩類：一類是由有效信號帶來的散粒噪聲，這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免；另一類是相機本身固有的與信號無關(guān)的噪聲，它是由于圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。
相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），其中信號可以由光強乘以量子效率乘以積分時間來計算，而噪聲則指成像過程中所有部分所產(chǎn)生噪聲的總和；信噪比越大，則表示混在信號里的雜波越少，圖像質(zhì)量越高，畫面越干凈，看不到噪波干擾（表現(xiàn)為“顆?！焙汀把┗ā保蝗粜旁氡仍叫?，則畫面上可能呈現(xiàn)較多的“顆?！焙汀把┗ā保绊憟D像畫面質(zhì)量。

2.8 曝光時間

曝光時間是為了將光投射到照相感光材料的感光面上，快門所要打開的時間；視感光材料的感光度和對感光面上的照度而定；曝光時間長，進光量就越大，適合光線條件較差的情況；曝光時間短則適合光線比較好的情況。

2.9 相機接口

工業(yè)相機通常有三個基礎(chǔ)的接口，電源接口、數(shù)據(jù)接口與鏡頭接口。

1. 電源接口：顧名思義，用以相機電源輸入接口。
2. 數(shù)據(jù)接口：按照接口標(biāo)準(zhǔn)不同，工業(yè)相機常用的數(shù)據(jù)接口有GigE、Camera Link、USB3.0、CoaXPress等類型。
3. 鏡頭接口：工業(yè)相機鏡頭接口種類很多，常用的一般有C接口、CS接口、F接口、M42接口、M72接口等。
   C接口和CS接口是工業(yè)相機與鏡頭聯(lián)接最常見的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的工業(yè)相機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的工業(yè)相機不能用CS口的鏡頭。
   

3、工業(yè)鏡頭參數(shù)

3.1 焦距

焦距就是從鏡頭的中心點到膠平面（膠片或CCD）上所形成的清晰影像之間的距離，注意區(qū)分相機的焦距與單片凸透鏡的焦距是兩個概念，因為相機上安裝的鏡頭是多片薄的凸透鏡組成，單片凸透鏡的焦距是平行光線匯聚到一點，這點到凸透鏡中心的距離。焦距的大小決定著視角大小，焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。
標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視角約50度左右，這是人單眼在頭和眼不轉(zhuǎn)動的情況下所能看到的視角，從標(biāo)準(zhǔn)鏡頭中觀察的感覺與我們平時所見的景物基本相同。

• 焦距的計算方法

$$f=\frac{S\times WD}{FOV}$$
s:機器視覺系統(tǒng)圖像傳感器尺寸（傳感器平面某個方向上的長度)
FOV:視場
WD:工作距離
f:鏡頭焦距

3.2 光圈

光圈是一個用來控制光線通過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面光量的裝置。它通常是在鏡頭內(nèi)，通過面積可變的孔徑光柵來達到控制鏡頭通光量。
除了調(diào)整進光量之外，光圈還有一個重要的作用：調(diào)整畫面的景深。用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量，每個鏡頭上都標(biāo)有最大F值，例如：8mm/F1.4代表最大孔徑D為5.7mm（8/1.4），F(xiàn)值越小，光圈越大，F(xiàn)值越大，光圈越小。最佳光圈一般在f/4-f/8。

3.3 景深

景深是指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化，光圈越大，景深越?。\），光圈越小，景深越大（深）。焦距越長，景深越小，焦距越短，景深越大。距離拍攝物體越近時，景深越小，拍攝距離約遠，景深越大。

• 景深的計算方法
  $$\begin{array}{l}前景深\Delta L1=\frac{F\delta L^2}{f^2+F\delta L}\\ \\ 后景深\Delta L2=\frac{F\delta L^2}{f^2?F\delta L}\\ \\ 景深\Delta L=\Delta L1+\Delta L2=\frac{2f^{2}F\delta L^2}{f^4?F^2{\delta }^2{L}^2}\\ \\ F:鏡頭的拍攝光圈值\\ \delta :容許彌散圓直徑\\ L:對焦距離\\ f:焦距\end{array}$$

3.4 鏡頭分辨率

分辨率代表鏡頭記錄物體細節(jié)的能力，是指在成像平面上 1 毫米間距內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對數(shù)，單位是“線對/毫米”（ lp/mm，line-pairs/mm ），線對是指黑白相間的兩條線，即兩個像素點，分辨率越高的成像越清晰。我們常說的顯示分辨率是屏幕圖像的精密度，指圖形所能顯示像素有多少。
由于像素和像素之間的間距形成了離散采樣。采樣定律也叫Shannon采樣定律，告訴我們對于頻率為f的模擬信號，為了不失真的恢復(fù)它，我們至少要用2f的頻率來采樣。兩個相機感光元才能對應(yīng)黑和白一個線對。

• 像元尺寸
  最小能分辨的尺寸是線對數(shù)的2倍倒數(shù)。最小能分辨的尺寸即像元尺寸，指單個像素的大小或兩個像素中心點之間的距離，單位mm或um等，不同規(guī)格相機規(guī)定單位不同。
  例如：鏡頭為5百萬像素、靶面尺寸為1/1.8”，分辨率為200 lp/mm，最小能分辨的尺寸是 1/(200*2)=0.0025mm，即像元尺寸為2.5um。

3.5 工作距離（Workingdistance,WD）

鏡頭第一個工作面到被測物體距離。

3.6 視野范圍（Field of View，F(xiàn)OV）

相機實際拍攝到的區(qū)域尺寸，視場角分物方視場角和像方視場角。一般光學(xué)設(shè)備的使用者關(guān)心的是物方視場角。對于大多數(shù)光學(xué)儀器,視場角的度量都是以成像物的直徑作為視場角計算的。如：望遠鏡、顯微鏡等。而對于照相機、攝像機類的光學(xué)設(shè)備，由于其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面對角線的成像物直徑計算視場角。也有以矩形的長邊尺寸計算視場角的。

視場角與焦距的關(guān)系：一般情況下，視場角越大，焦距就越短。

3.7 光學(xué)放大倍數(shù)（Magnification，b）

CCD/FOV,即芯片尺寸除以視野范圍。

4、工業(yè)相機與鏡頭選型

數(shù)字圖像是對成像系統(tǒng)輸出的信號進行數(shù)字化后的結(jié)果，成像系統(tǒng)反映真實場景的性能和質(zhì)量直接決定整個機器視覺系統(tǒng)的性能。
影響機器視覺成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素主要包括：光源（Illumination）、系統(tǒng)分辨率（System Resolution）、像素分辨率（Pixel Resolution）、對比度（Contrast）、景深（Depth of Field，DOF）、投影誤差（Perspective Error）和鏡頭畸變（Lens Distortion）。
而這些因素（參數(shù)）卻直接或間接地由硬件選型和安裝方式?jīng)Q定。如果事先既未確定相機又未確定鏡頭，則需要先了解項目工作環(huán)境對相機安裝（工作距離）、要檢測的最大范圍(視場)、最小特征的尺寸和代表它的像素數(shù)的要求，然后根據(jù)這些條件來計算應(yīng)使用何種鏡頭或相機。

無論何種情況，都是基于成像系統(tǒng)簡化模型的參數(shù)約束關(guān)系和項目需求獲取最優(yōu)搭配的過程。

4.1 相機分辨率的選擇

分辨率的選擇，主要根據(jù)待測物體的尺寸估算出視野大小，再結(jié)合精度要求，最后確定需要的工業(yè)相機分辨率。
例如：若物體尺寸為50mm，則視野可以估算為50×1.2=60mm，若單個像素的精度要求為0.02mm，則分辨率為50×1.2/0.02=3K

注意：選擇相機不一定是分辨率越高就越好，分辨率高帶來的圖像數(shù)據(jù)量就大，后期的算法處理就越復(fù)雜。

4.2 相機與鏡頭分辨率的選擇

經(jīng)透鏡成的光學(xué)圖像，本身是一個擁有無窮多個點的模擬信號。但在圖像接收器(CCD或CMOS)接收過程中，由于像素和像素之間的間距形成了離散采樣。采樣定律也叫Shannon采樣定律，告訴我們對于頻率為f的模擬信號，為了不失真的恢復(fù)它，我們至少要用2f的頻率來采樣。
所以相機分辨率需要等于鏡頭分辨率的兩倍，才能呈現(xiàn)完好的成像質(zhì)量，如果大于鏡頭分辨率的兩倍，則造成了相機性能的過剩，反之造成了鏡頭性能的過剩。然而在實際使用中，由于景深的存在，為了使鏡頭偏離對準(zhǔn)面仍然能夠成像清晰，因此，在選擇鏡頭時，通常要求鏡頭分辨率要略高于像元分辨率，這樣才能使系統(tǒng)的分辨率達到傳感器所限制的最高分辨率。
所以要用相機分辨率等于鏡頭分辨率的兩倍實際上是要求相機和鏡頭的像元尺寸相等，而不是像素相等。例如500萬像素的相機不一定需要配備500萬像素的鏡頭，而是需要計算像元尺寸，然后進行比較。
一般情況下需要確定工業(yè)相機和鏡頭的分辨率時，鏡頭的靶面尺寸與相機的靶面尺寸沒有完全匹配，此時計算鏡頭的像元尺寸時應(yīng)該使用相機的靶面尺寸進行計算從而保證相機的分辨率是鏡頭分辨率的兩倍。
例如1/1.8”靶面C 口5 百萬像素工業(yè)鏡頭的鏡頭分辨率為：200lp/mm。若用于靶面尺寸1/2.9”的工業(yè)相機，對應(yīng)的像素為1987X1490，大于相機的分辨率為1440X1080，這樣的工業(yè)鏡頭可以用于工業(yè)相機，只是造成鏡頭的浪費。

4.3 鏡頭其他參數(shù)的選擇

影響鏡頭成像的因素包括：焦距、最大像面、視場/視場角、漸暈、景深等方面。

• 焦距是指無限遠處目標(biāo)在鏡頭的像方所成像位置到像方主面的距離。焦距體現(xiàn)了鏡頭的基本特性：即在不同物距上，目標(biāo)的成像位置和成像大小由焦距決定。市面上常見的鏡頭焦距大小包括6mm、8mm、12.5mm、25mm以及50mm等。對機器視覺成像系統(tǒng)來說，工作距離就是成像系統(tǒng)中所說的物距。由于視覺成像系統(tǒng)模型的假定條件是工作距離相對于鏡頭焦距為無限遠，因此一般在鏡頭的產(chǎn)品參數(shù)中都會說明其最小工作距離。當(dāng)相機在小于該最小工作距離的環(huán)境下工作時，就會出現(xiàn)圖像失真，影響機器視覺系統(tǒng)的可靠性。
• 最大像面是指鏡頭能支持的最大清晰成像范圍（常用可觀測范圍的直徑表示)，超出這個范圍所成的像對比度會降低而且會變得模糊不清。最大像面是由鏡頭本身的特性決定的，它的大小也限定了鏡頭可支持的視場的大小。
• 鏡頭的視場就是鏡頭最大像面所對應(yīng)的觀測區(qū)域。視場角是視場的另一種表述方法，類似人眼“視角"的意義。視場角等于最大像面對應(yīng)的目標(biāo)張角。通常，在遠距離成像系統(tǒng)中，例如望遠鏡、航拍鏡頭等場合，鏡頭的成像范圍均用視場角來衡量。而近距離成像中，常用實際物面的直徑（即幅面）來表示。
  
  $$\begin{gathered} tan\omega =\frac{S/2}{f} \\ \begin{array}{rl}& S為相機傳感器在二維平面上某個維度的大??；\\ & f:焦距\\ & 2\omega :視場角\end{array} \end{gathered}$$

由于相機傳感器尺寸固定，因此視場角也可以被看作焦距的另一種表達。因此在生活中，人們常按照鏡頭的視場角對其進行分類，如望遠鏡（6-12°)、遠距攝像鏡頭（120-46°) .標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（46-65°)、廣角鏡頭（650~100°）及超廣角鏡頭( >100°）等。
一般來說，鏡頭的失真會隨著焦距的減小(或視場角的增大）而增大，因而在構(gòu)建機器視覺系統(tǒng)（特別是精確測量系統(tǒng))時，一般都不會選擇焦距小于8mm或視場角很大的鏡頭。
鑒于鏡頭能清楚成像的范圍受到最大像面的限制，因此在為相機選配鏡頭時，要特別注意相機傳感器與鏡頭可支持最大傳感器之間的關(guān)系。
一般來說，必須確保所選鏡頭可支持的最大傳感器尺寸大于或等于相機的傳感器尺寸。這樣做的另一個主要原因是為了避免漸暈(Vignetting）現(xiàn)象的發(fā)生。

• 普通鏡頭和遠心鏡頭
  普通鏡頭與人眼一樣，觀測物體時都存在"近大遠小”的現(xiàn)象，如下圖 (a)所示。也就是說，雖然物體在景深范圍內(nèi)可以清晰成像，但是其成像卻隨著物距增大而縮小。如果被測目標(biāo)不在同一物面上(如有厚度的物體），則會導(dǎo)致圖像中的物體變形。另一方面，相機傳感器的感光面通常并不容易被精確調(diào)整到與鏡頭的像平面重合(調(diào)焦不準(zhǔn))，由此也會產(chǎn)生誤差。為此，人們設(shè)計了遠心鏡頭。
  遠心鏡頭(telecentric lens）有較大的景深，且可以保證景深范圍內(nèi)任何物距都有一致的圖像放大率。多數(shù)機器視覺在測量、缺陷檢測或者定位等應(yīng)用上，對物體成像的放大倍率沒有嚴(yán)格要求，一般只要選用畸變較小的鏡頭，就可以滿足要求。但是，當(dāng)機器視覺系統(tǒng)需要檢測三維目標(biāo)（或檢測目標(biāo)不完全在同一物面上）時，就需要使用遠心鏡頭。

4.4 相機其他參數(shù)的選擇

拋開鏡頭差別，拍照畫質(zhì)與傳感器大小成正比。

• CCD/CMOS
  CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD圖像傳感器相同，二者的主要差異在于電荷的轉(zhuǎn)移方式上。CCD圖像傳感器中的電荷會被逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，經(jīng)放大器放大后輸出。由于電荷是從寄存器中逐位連續(xù)輸出的，因此放大后輸出的信號為模擬信號。在CMOS傳感器中，每個光敏元的電荷都會立即被與之鄰接的一個放大器放大，再以類似內(nèi)存尋址的方式輸出，如下圖所示：
  
  因此CMOS芯片輸出的是離散的數(shù)字信號，之所以采用兩種不同的電荷傳遞方式，是因為CCD是在半導(dǎo)體單晶硅材料上集成的，而CMOS則是在金屬氧化物半導(dǎo)體材料上集成的，工藝上的不同使得CCD能保證電荷在轉(zhuǎn)移時不會失真，而CMOS則會使電荷在傳送距離較長時產(chǎn)生噪聲，因此使用CMOS時，必須先對信號放大再整合輸出。

5、線激光器選型

選擇機器視覺用線激光器需要考慮的因素有：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-807817.html

1. 顏色/波段
2. 功率要求
3. 調(diào)制模式要求
4. 聚焦位置（F）
5. 聚焦位置下的激光線長度（L）
6. 最遠工作距離（D2）
7. 最近工作距離(D1)
8. 激光圖案
9. 是否需要激光亮度可調(diào)
10. 需要在整個景深范圍內(nèi)光線的粗細一致性好還是需要，在某處最細就好

到了這里，關(guān)于工業(yè)相機與鏡頭參數(shù)及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)！