工业相机及镜头的相关概念与相机及镜头的选型

一、相机的主要参数

1.像素（pixel）

像素是图像上的最小组成单元。图像由小方格即像素组成的，这些小方块都有一个明确的位置和被分配的色彩数值，小方格颜色和位置就决定该图像所呈现出来的样子。像素视为整个图像中不可分割的单位。

2.分辨率（resolution）

相机分辨率是指相机每次采集的像素点数，对于数字相机一般是直接与CCD或CMOS传感器（成像芯片）的像元数对应的，单位通常为万/百万。数字相机常见的如：1280 * 1024 (130W)，1600 * 1200 (200W),2048 * 1536 (300W)等。模拟相机则取决于视频格式，PAL制为768 * 576，NTSC值为640 * 480。

3.像元尺寸

传感器芯片上的最小组成单元（芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸），单位是um,常见的是1.67、2.2、3.45、4.8、5.5、7.4等。像元尺寸直接影响感光面积大小，影响图像质量，在分辨率足够的情况下，像元尺寸越大越好。像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。

像元尺寸 = 传感器尺寸/像元个数（分辨率）

4.相机传感器尺寸（靶面尺寸、芯片尺寸）

相机的靶面尺寸，以芯片对角线16mm定义为1英寸，单位为英寸（in），常见的有1/4，1/3，1/2.3，1/2.5，1/2，1/1.8 等。通常芯片尺寸与分辨率是对应的，如30W一般小于1/3’’，像元尺寸直接影响传感器尺寸，如500W相机，2.2um像元为1/2.5’’，3.45um为2/3’’。

传感器尺寸（英寸）	对角线尺寸(mm)	H宽度（mm）	V高度（mm）
1/4’’	4.000	3.200	2.400
1/3’’	6.000	4.800	3.600
1/2.5’’	7.182	5.760	4.290
1/2’’	8.000	6.400	4.800
1.8’’	8.933	7.176	5.319
2/3’’	11.000	8.800	6.600
1’’	16.000	12.800	9.600
4/3’’	22.500	18.800	13.500

注：1in = 25.4mm(一英寸等于25.4毫米)

5.精度

单个像素所代表的实际视野（mm/pixel），数值越小精度越高。

精度（单个像素对应的大小）= 视野宽度/分辨率宽度 = 视野高度/分辨率高度

如，视野50mm，对应的分辨率2448，精度为50/2448=0.02mm/pixel，即每个像素所代表的实际视野为0.02。
6.像素深度

指存储每个像素所用的位数，它也用来量度图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。如一个 RGB图，每个分量用8位，一个像素用24位，像素的深度就是24位，每个像素可以是2^24种颜色的一种。往往把像素深度说成图像深度，表示一个像素的位数越多，表达的颜色数目就越多，深度就越深。

7.帧率/行频

相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般称为帧率，即每秒采集多少幅图像；对于线阵相机为每秒采集的行数，行帧。帧率与芯片所能承受的最高时钟决定，分辨率、数据传输接口等也会影响相机的帧率。

8.增益

感光信号与输出信号的放大比例，通常由硬件电路运算，用来提高图像的高度，单位为 dB。缺点是会带来更多的噪点。

9.相机接口

工业相机前面接口用于安装镜头；后面接口一般有两个，一个是电源接口，一个是数据接口。

工业相机常用的接口（后置接口）有GigE，USB，IEEE1394，CameraLink，CoaxPress等。不同的接口传输速度不同，间接影响相机的帧率。

USB接口：支持热拔热插、使用便捷、标准统一、可连接多个设备、相机可通过USB线缆供电。但没有标准的协议、主从结构，CPU占用率高、带宽没有保证。usb3.0的接口一般都是可以自供电。但是也可以再接一个电源，假如usb接口供电不稳定的话，那么就可以选择外接电源来进行供电。

**Gige千兆以太网接口：是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准；适用于工业成像应用，通过网络传输无压缩视频信号；拓展性好，传输数据长度最长可伸展至100m（转播设备上可无限延长）；带宽达1Gbit，因此大量的数据可即时得到传输；可使用标准的NIC卡（或PC上已默认安装）；经济性好，可使用廉价电缆（可使用通用的Ethernet电缆（CAT-6）和标准的连接器；可以很容易集成，且集成费用低；**可管理维护性及广泛应用性。

Camerlink接口： 是一种串行通讯协议。采用LVDS接口标准，具有速度快、抗干扰能力强、功耗低。从Channel link技术上发展而来的，在Channel link技术基础上增加了一些传输控制信号，并定义了一些相关传输标准。协议采用MDR-26针连接器。高速率，带宽可达6400Mbps、抗干扰能力强、功耗低。

Gige接口简单方便的进行多相机设置，支持100米线材输出。Camera Link接口是专门针对高速图像数据需求的标准接口。USB 3.0接口具有简单易用，实时性好的特点。GigE千兆以太网作为最新的高速以太网技术，比以前的百兆网在传输速率上提高十倍，且价格便宜，是一种高性价比的数据解决方案。

二、相机的分类

1.相机芯片工艺：CCD/CMOS

按照芯片制作工艺分为CCD和CMOS两种工艺，主要区别如下：

1、噪声差异：CCD比CMOS噪声小
　由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器，若以百万像素计算的话，那就需要上百万个的放大器，然而放大器属于模拟电路，很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD工业相机只需要一个放大器放在芯片边缘，与CMOS相比，它的噪声相对减少很多，大大提高了图像品质。
　2、耗电量差异：CMOS耗电量低
　CMOS采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出；而CCD为被动式采集方式，必须外加1218V的电压以使每个像素中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度，这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS，根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/81/10。
　3、分辨率差异：CCD分辨率高于CMOS
　由于CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD工业相机的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
　例如：4.40μm4.40μm像元大小的CCD相机分辨率为16281236，而5.2μm5.2μm像元大小的CMOS相机分辨率为12801024，对比结果明显得出：同尺寸大小，CCD的分辨率要高于CMOS，也就是说成像质量要优于CMOS。
　4、灵敏度差异：CCD灵敏度高于CMOS
　因为CMOS信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，读取信号时 CMOS是点直接读取信号，CCD则是行间接读取信号，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。
　5、成本差异：CCD成本高于CMOS
　由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中，大大节省了外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式输出数据，只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多，因此，CCD的制造成本就相对高于CMOS传感器。

CCD相机在成像质量、分辨率、灵敏度方面优于CMOS,但CMOS功耗低、成本低，两者各有优缺点，但目前CMOS工艺水平与CCD相差很小。

2.传感器类型

按传感器类型可分为线阵相机和面阵相机

3.图像模式

按图像模式分为彩色相机和黑白相机

4.信号输出方式

按信号输出方式分为 模拟相机和数字相机

5.快门方式

按快门方式分为卷帘快门和全局快门

三、镜头的主要参数

1.焦距（FocalLength）

焦距就是从镜头的中心点到胶平面（胶片或CCD或CMOS）上所形成的清晰影像之间的距离，注意区分相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离。焦距的大小决定着视角大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。

常见的有：8mm 、12mm、16mm、 25mm、50mm等等

2.视场/视场角

视场角指以镜头为顶点以被测目标的像物可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。视场是指镜头能观测到的实际范围的物理尺寸。

3.光圈（Iris）

光圈是一个用来控制光线通过镜头，进入机身内感光面光量的装置，它通常是在镜头内，对于已经制造好的镜头，可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形，并且面积可变的孔径光栅来达到控制镜头通光量，这个装置就是光圈。光圈大时进光量大，光圈小时进光量小。光圈还有一个作用，调整画面的景深。光圈用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。

常见光圈数值：f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，f11，f16，f22，f32，f44，f64

4.弥散圆

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。

在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。

现实当中，观赏拍摄的影象是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来观察的，人的肉眼所感受到的影象与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆。

3.景深（Depth of Field，DOF）

在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。

从焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。

4.景深、焦距、光圈大小、拍摄距离之间的关系

景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。

1.控制拍摄距离和焦距不变时：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。

2.控制光圈大小和拍摄距离不变时：镜头焦距越长，景深越小；镜头焦距越小，景深越大。

3.控制光圈大小和镜头焦距不变时：被拍摄物体距离相机越近，景深越小，被拍摄物体距离相机越远，景深越大。

四、相机和镜头的选择

镜头的选型

参数解释：

工作距离（WD）: Work Distance 即为所拍摄的物体距离相机光心的距离

视场（FOV）: Field of View 即为所拍摄的物体的实际空间大小（实际宽度H(Horizontal–水平方向)和高度V(Vertical–竖直方向)）

传感器尺寸(靶面尺寸)： Sensor Size 即为相机传感器尺寸（靶面尺寸）CCD或CMOS尺寸H(Horizontal)*V(Vertical)

焦距（f）：focal length 从镜头的中心点到胶平面（胶片或CCD或CMOS）上所形成的清晰影像之间的距离

计算公式：

焦距、视场、传感器尺寸、工作距离之间的关系
f/WD=SensorSize(H)or(V)FOV(H)or(V)f/WD = \frac{SensorSize(H)or(V)}{FOV(H)or(V)} f/WD=FOV(H)or(V)SensorSize(H)or(V)
光学倍率、传感器尺寸（靶面尺寸）、视场之间的关系
光学倍率=SensorSize(H)or(V)FOV(H)or(V)光学倍率 = \frac{SensorSize(H)or(V)}{FOV(H)or(V)} 光学倍率=FOV(H)or(V)SensorSize(H)or(V)
注：公式中 SensorSize(H)or(V) 与 FOV(H)or(V) 计算时上下对应同选 H或者同选 V

例如：当被拍摄物体为500mm * 400mm的尺寸，假设视场为600mm * 500mm，拍摄距离为1000mm，相机传感器尺寸为1/2’’（H = 6.4mm,V = 4.8mm），则选取的镜头焦距f = (6.4*1000)/600 = 10.66667（或者 f=(4.8 * 1000)/500 = 9.6）根据标准镜头焦距选取相近尺寸12mm镜头。

相机的选型

例1：

当所拍摄物体视野为100mm*75mm时，精度要求为0.05mm，那么由公式：

精度（单个像素对应的大小）= 视野宽度/分辨率宽度 = 视野高度/分辨率高度

可以得到分辨率宽度 = 视野宽度/精度 = 100mm/0.05mm = 2000pix,也就是需要分辨率为2000*1500=300w像素的相机。这仅仅是相机的像素精度，并不代表整个系统的精度就有如此高，还有其他的精度也要考虑，如镜头分辨率，系统的抖动，光源的波长，物体本身的精度等。但相机像素精度一定要高于系统所要求的精度。

例2：

对于视野大小为10 * 10mm的场合，要求精度为0.02mm/pixel,则单方向上分辨率=10/0.02=500.然而考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，一般不会只用一个像素单位对应一个测量精度值，一般选择倍数为2或者更高，这样相机单方向分辨率为1000，相机的分辨率=1000*1000=100万，所以选用100万像素的相机即可满足。

五、参考文章

1.https://blog.csdn.net/snwang_miss/article/details/53080111

2.https://blog.csdn.net/qq_38241538/article/details/84106969

3.https://blog.csdn.net/zxwangyun/article/details/38979219

4.https://blog.csdn.net/fujilove/article/details/28292925

5.https://www.it610.com/article/1283320258609823744.htm

6.https://blog.csdn.net/talender/article/details/87470709