视觉测量—相机与镜头选型
相机与镜头选型
摄像机作为视觉测量中图像检测与目标跟踪的核心部件,通过图像传感器获得实时图像,使用过程中需要结合具体测量需求,选取参数,规格相符的摄像机与光学镜头,以达到较优的成像和测量效果。
一、相机选型
目前机器视觉市场上有两种用于工业相机的图像芯片: CCD芯片和CMOS芯片 。两种类型芯片都将光线转换成电子信号,这两种芯片的主要差异在于其底层技术设置,可根据指定相机的实际用途,从两种芯片技术中选择最适合的一种。近年来,CMOS芯片技术已取得巨大进步,在多方面已超越CCD,具有高速度(帧速率)、高分辨率(像素数)、低功耗以及最新改良的噪声指数、量子效率及色彩观念等各方面优势。相机有多个特性参数,下面对于视觉测量至关重要的几个参数进行分析,为选型提供参考。
1、成像色彩
黑白摄像机:灰度图像,直接将光强信号转换成图像灰度值。彩色摄像机:彩色图像,获得红、绿、蓝三个分量的光信号。如果对图像色彩没有要求,尽量使用黑白摄像机,成像效果更佳,便于图像处理。
2、分辨率
单方向分辨率:像素数量=视野范围/理论精度
计算结果代表理论精度占一个像素,这是是基本要求,为了达到更好的测量效果,一般选择两个或者以上像素,综合数据量问题,选取合适规格,相机分辨率=像素数量(H)×像素数量(V)。
3、像素尺寸
像素尺寸是指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸,越小的像素尺寸制造难度越大,同时图像质量也越不容易提高,通常工业相机的像素尺寸在3um—14um之间,例如常用尺寸包括:3.45um,6.45um,7um,9um,10um,14um
等。明显地,相机的靶面尺寸就由分辨率和像元尺寸决定。
二、镜头选型
1、焦距
焦距是指镜头光学后主点到焦点的距离,即镜头中心到成像平面的距离,焦距的大小决定着视角的大小,焦距小,视角大,所观察的范围大。常见的镜头有:8mm,15mm,24mm,28mm,35mm,50mm等。焦距的计算方式为
f1=vLVf2=hLH(1)f_1=\cfrac {vL}V\\f_2=\cfrac {hL}H\tag{1}f1=VvLf2=HhL(1)
实际情况中可能 f1f_1f1 与 f2f_2f2 不同,应该选取较小的,保证拥有更大的视场。
2、视场角
视场角用来衡量镜头的成像范围,应用前需要根据应用情况估算视场大小,
水平视场角 α\alphaα 和竖直视场角 β\betaβ 分别为
α=2arctanh2fβ=2arctanv2f(2)\alpha=2\arctan{\cfrac h {2f}}\\\beta=2\arctan{\cfrac v {2f}}\tag{2}α=2arctan2fhβ=2arctan2fv(2)
3、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,光圈大小用 FFF/数值 表示。FFF 后面的数值越小,光圈越大,而进光量也就越多;反之,则越小。简单的说,在快门速度(曝光速度)不变的情况下,光圈F数值越小光圈就越大,进光量越多,画面比较亮;
FFF 计算方式为
光圈(F)=镜头焦距(f)通光孔径(D)(3)光圈(F)=\cfrac {镜头焦距(f)} {通光孔径(D)}\tag{3}光圈(F)=通光孔径(D)镜头焦距(f)(3)
4、景深
景深是指在被摄物体聚焦清楚后,在物体前后一定距离内,其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。选取相机镜头时,结合实际所需工作距离进行确定。
三、总结
除此上述提及参数以外,相机和镜头还有一些其他参数。相机:曝光时间:快门打开所需时间;速度:每秒钟传输图像数量;光谱效应:相机对于外界光线的响应能力;光学接口:相机与镜头之间接口等。镜头:还有放大倍率,接口,像质等参数。对于有特殊要求的项目来说需要考虑更多,结合具体要求进行选取。此外,相机与镜头选取时,需要注意相机尺寸与镜头像面尺寸匹配的问题,也就是说,一定要保证镜头的像面尺寸大于(等于)传感器尺寸。
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