工业相机选型

一、工业相机分类

1、按芯片类型分：有 CCD 相机和 CMOS 相机，二者在成像原理和特性上各有千秋，恰似相机家族中的两大流派。
2、按输出色彩分：分为单色（黑白）相机和彩色相机，如同绘画中的黑白素描与绚丽水彩，满足不同场景需求。
3、通讯方式(接口)

• USB接口：（USB3.0接口简单易用，实时性好）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。
• Gige千兆以太网接口：（简单方便的进行多相机设置，支持100米线材输出）是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准；
• Camerlink接口(最快)：（专门针对高速图像数据需求的标准接口）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。
  目前在机器视觉中，应用最广泛的接口是Gige（以太网）接口，以太网接口在传输速度、距离、成本等方面较其他接口具有很大的优势。

4、按分辨率大小分：普通分辨率相机和高分辨率相机，分辨率高低决定了相机 “看” 细节的能力。
5、按输出信号速度分：普通速度相机和高速相机，速度快慢影响着对动态物体的捕捉效果。

二、相机的主要参数

2.1 分辨率

相机的分辨率是指单位距离的像用多少个像素表示。
相机的分辨率与像元尺寸大小有关。
一般分辨率长短边比是4比3，如：
130w镜头分辨率是1280 * 1024
500w镜头分辨率是2592 * 2048， 2592 * 1944
600w镜头分辨率是3072 * 2048
2000w镜头分辨率是5472 * 3648

面阵相机分辨率常用水平和垂直分辨率表示，如 1920（H）x 1080 (V) ，就像告诉我们每行有 1920 个 “小眼睛”，一共 1080 行。现在常以多少 K 来描述，1K（1024），2K (2048) 等。分辨率越高，在同样视场下，对细节的展示就越清晰，就像高清电视与普通电视的区别。

2.2 速度

相机的帧频 / 行频体现其采集图像的频率。
面阵相机用帧频表示，单位 fps ，如 30fps 意味着 1 秒最多能抓拍 30 帧画面；线阵相机用行频，单位 KHz，12KHz 即 1 秒最多采集 12000 行图像数据。在拍摄运动物体时，相机速度必须达标，才能让物体成像清晰准确，速度就像相机抓拍运动物体的能力指标。

2.3 光学接口 / 接口类型

常用镜头接口有 C 口，CS 口，F 口等。M42 镜头适配器源于高端摄像标准，相机 Z 轴一般依据适配器优化，不要轻易拆卸，接口就像相机与镜头连接的重要纽带。

2.4 相机靶面尺寸

靶面尺寸即用于接收光信号的传感器的尺寸，指的是传感器（工作区域为矩形）对角线长度，单位为英寸。
相机的靶面尺寸越大则可获得的视野范围越大，一般情况下优先选大的。
常用的靶面尺寸：
1.1英寸——靶面尺寸为宽12mm * 高12mm，对角线17mm
1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm * 高9.6mm，对角线16mm
2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm * 高6.6mm，对角线11mm
1/1.8英寸——靶面尺寸为宽7.2mm * 高5.4mm，对角线9mm
1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm * 高4.8mm，对角线8mm
1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm * 高3.6mm，对角线6mm
1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm * 高2.4mm，对角线4mm

靶面尺寸=传感器对角线尺寸
靶面面积=传感器宽度x传感器高度

传感器尺寸大，在同样的像素密度下，像元尺寸也会大，这样会增加每个像元的感光面积，对提高图像的质量有益。传感器的尺寸，还能决定视野大小与工作距离。在同样的工作距离、同样的镜头下，传感器尺寸大，可以拍摄更大的视野。

2.5 像元尺寸

像元尺寸（Pixel Size），也称为像素尺寸，是指图像传感器上单个像素的物理尺寸，通常以微米（μm）为单位来表示。

像元尺寸=传感器尺寸/分辨率（像元个数） 在保证像素数够用的前提下，像元面积越大越好，画幅越大越好。

2.6 精度

精度指一个像素表示实际物体的大小，用（um * um）/pixel表示。注意，像元尺寸并不等于精度，像元尺寸是相机机械构造时固定的，而精度与相机视野有关，是变化的。精度值越小，精度越高。

三、镜头介绍及选型方法

镜头作为机器的眼睛，其主要作用是将目标物体的图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏器件上。数据系统所处理的所有图像信息均需要通过镜头得到，镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。

3.1 工作距离（WD）

工作距离指的是镜头的最下端到景物之间的距离。

3.2 视场角(FOV)

视角FOV是指镜头所能覆盖的范围。(相机实际拍摄到的区域尺寸)
一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。
焦距与FOV的关系可以归纳为以下几点：
焦距越长，FOV越小：当镜头的焦距增加时，其视角（即FOV）会相应减小。这意味着相机能够捕捉到的画面范围会变得更小，但画面中的细节会更为清晰。因此，长焦镜头通常用于需要放大远处物体或捕捉细节的场景。
焦距越短，FOV越大：相反，当镜头的焦距减小时，其视角会增大。这意味着相机能够捕捉到的画面范围会变得更广，但画面中的细节可能会相对模糊。因此，短焦镜头通常用于需要捕捉广阔场景或监控大范围区域的场景。

3.3 （镜头）靶面尺寸

镜头靶面尺寸是指镜头能够产生清晰图像的最大直径区域。镜头靶面尺寸要大于等于sensor传感器的对角线尺寸。

3.4 帧率

帧率是对帧数随时间变化的一种度量，指的是每秒钟播放多少帧。单位是fps。

3.5 光圈(F5.6)

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。当光线不足时，我们把光圈调大，自然可以让更多光线进入相机，反之亦然。
一般通过调整通光孔径大小来调节光圈，完整的光圈数值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。用F表示，以【镜头焦距f和通光孔径D的比值】(即，相对孔径的倒数，也就是“焦距÷有效孔径”)来衡量，每个镜头上都标有最大F值，例如：8mm/F1.4代表最大孔径D为5.7mm，

F值越小，光圈越大，进光量越大； F值越大，光圈越小，进光量越小。

3.6 焦距（focal length）

焦距就是镜头到成像面的距离，比如：50mm镜头，8mm镜头还是75mm镜头等。这些就是镜头到成像面的距离，也就是焦距。单位是毫米。

3.7 景深(DOF)

景深与视野相似，不同的是景深指的是纵深的范围，视野指的是横向的范围。在最小工作距离到最大工作距离之间的范围称为景深，景深内的物体都可以清晰成像。景深一般可以通过光圈调节，光圈越小，景深越大。

景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。
这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)

四、如何选择工业相机？

1 明确检测任务：先搞清楚自己的检测任务，是静态拍照还是动态拍照、拍照频率、检测类型（缺陷、尺寸测量、定位等）、产品大小（拍摄视野）、精度要求、所用软件性能、现场环境及特殊要求等，这是选择相机的基础。
2 考虑动态因素：若是动态拍照，要根据运动速度选最小曝光时间和相机扫描方式。相机帧率和像素有关，分辨率越高帧率越低，不同品牌帧率有差异。
3 计算分辨率：根据检测任务、产品大小、分辨率要求和软件性能计算机分辨率。相机像素精度 = 单方向视野范围大小 / 相机单方向分辨率，可据此算出相机单方向分辨率。

4 关注现场环境：现场的温度、湿度、干扰情况以及光照条件都会影响相机选择。
5 依据精度选相机：根据待观察或测量物体的精度选择相机分辨率，相机像素精度公式可帮助我们确定合适的相机。

五、实例应用

1、已知：目标长宽1515mm，要求0.008mm的精度
幅宽按1.5倍，即1.515=22.5mm
(1).像素计算
相机像素=幅宽/检测精度=22.5mm/0.008mm= 2812.5 pixel，相机分辨率只为2812.5x2812.5=791万像素，考虑检测稳定性，按4个像素对应一个检测精度(边缘像素4，实际对长边和短边各放大2倍)。实际相机分辨率为
791x4=3164万像素
综上，3100万像素相机，这里考虑海康的MV-CH310-10GM 相机

(2)镜头焦距计算
假设工作距离60mm
系统放大倍率=芯片短边/视野短边=16.7/22.5=0.7422

系统的分辨精度=像元尺寸/放大倍率=3.45/0.7422=4.648微米<8微米(客户需求)，满足要求
黄色的为所选相机参数中查得的参数，22.5为项目需求的视野大小。

镜头焦距为:f=工作距离/(1+1/放大倍率)=60/(1+1/0.7422)= 25.56 毫米

补充：
公式1：放大倍率=所选相机芯片短边尺寸/相机短边的失业范围
公式2：物镜焦距=工作距离/(1+1/放大倍率)

2、假设检测物体表面划痕，物体大小 108mm，检测精度 0.01mm 。
假设拍摄视野1210mm，相机最低分辨率应为(12/0.01)(10/0.01)=12001000，约 120 万像素。但为提高系统精准度和稳定性，最好让缺陷面积在 3 到 4 个像素以上，所以相机分辨率应在 130 万乘 3 以上，通常 300 万像素相机最佳。
再看相机最小曝光时间与目标运动速度的关系。若目标运动速度 1mm/S，测量精度 0.01mm/pixel，为保证物体运动拖影小于精度，相机曝光时间必须小于 10ms 。一般工业相机最快曝光时间几十至一百多微秒，如此短曝光时间对光能量要求大，需选择合适光源与光源控制器。

3.相关链接
工业相机选型和镜头焦距计算

相机靶面尺寸详解+工业相机选型