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一. 相机成像原理

相机成像原理如图所示：

注：

1. 当物距为无穷远时，像距等于焦距，成像在焦平面上；
2. 当物距为无穷无与两倍焦距之间时，像距在焦距与两倍焦距之间，成缩小的实像；
3. 当物距等于两倍焦距时，像距与物距相等，此时物像等大；
4. 当物距小于两倍焦距并大于焦距时，像距大于两倍焦距，成放大的实像；
5. 当物距等于焦距时，像距为无穷大，物上的光线经透镜后为平行光线，不成像；
6. 当物距小于焦距时，像距为负值，即在物的同侧成虚像。

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二. 相机参数说明

2.1 感光芯片

2.1.1 快门（控制曝光时间）

常见的电子快门的方式有全局快门(Global shutter)和卷帘快门(rolling shutter)两种：

• 全局快门是曝光时，传感器上所有像素在同一时刻开启曝光并在同一时刻曝光结束，将物体某时刻的状态成像，对运动物体而言类似将运动物体冻结了，所以适合拍摄高速运动的物体。
• 卷帘快门是逐行顺序开启曝光，不同行间曝光的开启时刻有个很小的延迟，所以不适合运动物体的拍摄，包括飞拍。

如果相机的曝光时间过长，就会使速度快的运动物体变模糊。对于运动物体来说，快门时间越短，所获取的图像越精确，即越不模糊，但过短的曝光时间会需要光照强度大大提高，给光照技术带来很大的困难，所以应选择合适的快门时间。

2.1.2 曝光

工业相机工作过程中曝光(Exposure)是图像传感器进行感光的过程。在曝光过程中,CCD/CMOS收集光子并转换成电荷，也就是电荷的积累。

曝光时间是指相机从快门打开到关闭的时间间隔，曝光时间短，电荷积累的就少;曝光结束后,CCD/CMOS通过一定的方式将电荷移出，从光曝光对照片质量的影响很大，如果曝光过度，则照片过亮，失去图像细节；如果曝光不足，则照片过暗，同样会失去图像细节。

控制曝光就是控制总的光通量,也就是曝光过程中到达CCD/CMOS表面的光子的总和。 在不过曝的前提下，增加曝光时间可以增加信噪比，使图像清晰。当然，对于很弱的信号，曝光也不能无限增加，因为随着曝光时间的增加，噪音也会积累， 曝光补偿就是增加拍摄时的曝光量。总之，曝光即曝光时间控制，控制感光元件上总的光通量。曝光越大，光通量越大。

影响曝光的因素有三个:

• 光圈：光圈控制光线进入的通路大小。光圈越大，单位时间的光通量越大；光圈越小，单位时间的光通量越小；
• 曝光时间：感光元件在光线射入时用来曝光的时间，也就是快门速度；
• 增益（对应数码相机的ISO）：增益一般只是在信号弱，但不想增加曝光时间的情况下使用。一般相机增益都产生很大噪音的，所以几乎不怎么用。

曝光时间（快门速度）和光圈大小一般是互补的。比如，为了获得合适的亮度，需要对两者进行联动调节，可采用降低曝光时间（高速快门）配合大光圈以得到一定亮度，同样也可采用增大曝光时间（低速快门）配合小光圈来获得同样的亮度。

2.1.3 增益

增益一般只是在信号弱，但不想增加曝光时间的情况下使用，一般相机增益都产生很大噪音。曝光时间短，CCD/CMOS上电荷的积累就少，这时候就需要增益加强；反之，增益要减弱。

总结：增益控制感光灵敏度，高增益代表高灵敏度，对低光照越灵敏，可以增加昏暗图像的亮度和对比度，提高成像质量。但同时也会对噪声进行发大，降低信噪比。

2.1.4 感光芯片类型（CCD和CMOS芯片）

CCD（电荷耦合器件）芯片和CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片都将光信号（光子）转换成电子信号（电子）。这两种芯片的主要差异在于其底层技术设置。

如果拍摄目标是静态不动的，为了节约成本，可使用考虑CMOS相机，而如果目标是运动的，则优先考虑CCD相机。如果是需要高速采集的，这里指的高速是很高的采集速度，而非指很高的运动速度，可以考虑CMOS相机，因为CMOS的采集速度会优于CCD。如果需要高质量的图像，如进行尺寸测量，可以考虑CCD，在小尺寸的传感器里，CCD的成像质量还是要优于CMOS的。

2.1.5 感光芯片/靶面尺寸（手动计算）

描述放大倍率及镜头像面尺寸时，都会涉及到工业相机芯片，通常相机厂商用英寸来计量相机芯片尺寸，但在实际计算过程中，我们需要将芯片各边长度的单位换算成mm。

因为同样标注的靶面大小，长宽比也可能会不一样，所以我们在看到相机靶面型号时，需要手动计算一下靶面的宽高：

如图：

如果我们不手动计算一下，可能就会将该相机的2/3”靶面按照常规尺寸：8.8mm*6.6mm计算了，但实际上通过：
$$感光芯片尺寸=分辨率\ast 像元尺寸$$
计算得出，该相机靶面为8.45mm*7.1mm。

常见相机芯片尺寸的对应关系如下（需要准确尺寸可按如上方法计算）：

2.1.6 分辨率

相机的传感器sensor是有许多像素点按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像素来表示的。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。

例如：一个相机的分辨率是1280(H) × 1024(V)，表示每行的像元数量是1280，每列的像元数量是1024，此相机的分辨率是130万像素。在对同样大小的视场成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。常用的工业面阵相机分辨率有：

640 *480 —— 30万像素；1280 *960 —— 130万像素；1440 *1080 —— 160万像素；
1600 *1200 —— 200万像素；1920 *1080 —— 300万像素；2590 *1940 —— 500万像素等。

对于线阵相机而言，分辨率就是传感器水平方向上的像素数，常见有1K、2K、6K等。

在相机分辨率的选型上，要根据我们的项目需求而定，并不一定是分辨率越高就越好，分辨率高带来的图像数据量就大，后期的算法处理复杂度就高，而且一般分辨率大的相机，帧率一般都不会太高。

2.1.7 像元/像素尺寸

像元尺寸就是每个像素的面积。单个像素面积小，单位面积内的像素数量多，相机的分辨率增加，有利于对细小缺陷的检测和增大检测视场。随着像素面积的缩小，满阱能力（每个像素能够储存的电荷数量）也随之减小，造成相机动态范围的降低。
$$像元尺寸=感光器芯片尺寸/像素个数(分辨率)$$

例如，相机感光芯片尺寸为：5 mm x 3.7 mm，分辨率为1440 px * 1080 px，则相机的像元尺寸为(5/1440) x (3.7/1080)mm = 3.45 µm x 3.45 µm。

2.1.8 帧率

帧率是用于测量显示帧数的量度。所谓的测量单位为每秒显示帧数，简称：FPS或“赫兹”（Hz） 。相机的帧率决定着设备的测量效率，如相机的帧率是30FPS，则每秒钟最多拍摄30次。而如果相机的速度是120FPS，如果算法够快，那么每秒钟最多检测120个产品。换句话说也就是相机的帧率影响相机拍照出图的快慢，飞拍高速运行，一般需要高帧率相机。

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2.2 相机数据

2.2.1 相机常用接口

GIGE千兆网接口（√）：
千兆网接口的工业相机，是近几年市场应用的重点。使用方便，连接到千兆网卡上，即能正常工作。设置好巨型帧参数，可以达到更理想的效果。可多台同时使用，CPU占用率小。

USB3.0接口（√）： 速度快但距离短，理论速度极限大约为500MB/s，但是其传输距离短，超过3米就要用质量很高的线，超过5米，基本就不能使用了。

USB2.0接口： 这个优点也就是成本低了，但是速度慢而且不稳定。之前用过2.0接口的相机，在Linux下运动拍摄时，没有规律的就断了，驱动和软件都检查了挺长时间， 后来猜测是端口供电和传输限制之类的问题，果然换个新配的电脑就没问题了。而且也听专业人士说过2.0相机的稳定性问题，静态拍摄应该会好一点。

Camera Link接口： 速度超快，大约是USB3.0的两倍，而且高像素下支持的帧率更快，但是要额外购买图像采集卡，基本要1w左右，成本是个问题。

2.2.2 像素位深/深度

像素深度是指每个像素用多少比特位表示。通常，每个像素的比特位数多，表达图像细节的能力强，这个像素的颜色值更加丰富、分的更细，颜色深度就更深。一般像素深度有1位、8位、16位、24位和32位。

1位像素深度就是有二进制来表示，也叫单色显示。
8位像素深度是最常见的，用8个二进制位来表示颜色，能表示256种颜色，这种就是常说的灰度显示。
16位是用16个二进制位来表示，能表示65536种颜色，这时就可以彩色显示啦。
24位和31位则表达的颜色信息就会更加的丰富。

分辨率和像素深度共同决定了图像的内参大小。例如，对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M（1024bit=1KB，1024KB=1M）。增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

2.2.3 和镜头的接口

在选型时一定要考虑相机与镜头的接口对应问题，相机与镜头的接口必须保证一致，不然就无法安装。C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。因此CS型接口的工业相机使用C型接口镜头时需要加一个5mm的接圈。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头。

F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型，一般工业相机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。
V接口镜头是著名的专业镜头品牌Schneider(施奈德)镜头所主要使用的标准，一般也用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头。

2.2.4 白平衡

平衡RGB三个通道的亮度值，使图像达到一个比较好的亮度情况，当打光不太好的时候，使用白平衡，可以改善图像亮度不均匀情况，对应halcon算子是equ_hiso_image——直方图均衡化

2.2.5 拖影

拍摄运动图像时，同一物体，在图片上重复成像的现象。

如图：

问：如何计算曝光时间，保证运动物体不产生拖影？

在拍摄高速运动物体的场合，选择帧曝光的相机后，还需要计算相机的曝光时间，以使图像不产生拖影，理论的计算原则是：运动物体在相机芯片上所成的像，在曝光时间内，移动的距离不超过一个像元尺寸。

练习：物体运动速度是150mm/s，沿芯片水平方向运动，相机是1/2”芯片（6.4mm×4.8mm），分辨率为1280*1024，视场水平方向长度是20mm，像元尺寸是4.8μm，计算成像时不产生拖影的曝光时间？

解答：

1）首先计算出像的运动速度：放大倍数为6.4mm/20mm=0.32，所以像的运动速度是0.32×150 mm/s=48mm/s；

2）根据计算原则，（曝光时间）×48mm/s=4.8μm，所以曝光时间为0.0001s，曝光时间设置为100µs即可。

2.2.6 相机的触发方式

包括连续采集模式，软件触发（软件控制）、硬件触发（传感器/机械开关控制）。

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三. 相机选型

相机的选取是设计机器视觉系统极关键的一步，首先明确需求：①检测精度（有明确要求） ②视野大小（根据待测物体的尺寸估算） ③是否飞拍（有明确要求）
　　
明确需求后要确定相机型号：

1.确定相机的分辨率（通过产品检测精度要求和相机观察的视野大小）

例如，若单视野为5mm长，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，特别是测量或者表面划伤检测，一个像素有可能无法凸显特征，所以一般不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值。情况允许的情况下，一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够

2.相机类型的选择：对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机，对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。

3.相机帧率选择

• 定拍（看拍照频率选择）
• 飞拍
  根据要检测的速度，选择工业相机的帧率一定要大于或等于检测速度，等于的情况就是你处理图像的时间一定要快，一定要在相机的曝光和传输的时间内完成。根据项目需求，对于拍摄运动物体，建议选取高帧率相机，具体帧率数要根据拍摄精度来确定。一般可以根据相机资料给出的帧率值F，大致可以估计出相机的曝光时间。一般情况下，若我们的相机的帧率为15fps，则表示相机曝光时间为1/15s = 1/15 * 1000ms = 66.7ms，即曝光时间设的越长，帧率自然就下降的越厉害。
  根据：最大曝光时间 = 1/满帧频率 = 精度/运动速度，可以推出在确定检测精度的前提下，可以得到相机飞拍时能达到的最大速度。
  若要飞拍，一般需要考虑选择高帧率相机，根据检测速度，确定相机帧率

4.相机接口选择：一般用网口或USB3.0。

5.芯片类型选择：CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取，如贴片机机器视觉，当然随着CMOS技术的发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。CCD采用逐个光敏输出，速度较慢，CMOS芯片的主要优势是实现极高的帧速率及几乎无损的画质。CMOS每个电荷元件都有独立的装换控制器，读出速度很快，FPS在500以上的高速相机大部分使用的都是CMOS。自2015年初开始，官方已确认CMOS技术将在未来成为主流技术。

6.相机色彩选择：如果我们要处理的是与图像颜色有关，那当然是采用彩色相机，否则建议你用黑白的，因为黑白的同样分辨率的相机，精度比彩色高1/3—1/4。假设彩色相机精度12μ，那么使用同规格黑白相机的精度可以提升至：12-12 * 1/3 ~12-12 * 1/4 = 8 ~ 9μ，这是由成像原理造成的。

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四. 实战选型

1.已知客户的镜头的尺寸是1/3,接口是CS接口，视野大小为12* 10mm，要求精度0.02mm/pixel，则应该选用多大分辨率相机？
解：
(12/0.02)* (10/0.02)=30万像素，但是如果是缺陷检测通常不会只用一个像素表示一个精度，而是乘以3-4倍，即(12/0.02)3 (10/0.02)*3=480万像素。最低不少于480万像素。
注：12/0.02：表示在12这个方向，需要用多少像素表示，才能达到1个像素代表0.02mm的这样一个精度。
10/0.02：同上
通过上面的参数也可求出镜头的焦距（镜头选型参考），但注意：
①镜头的分辨率一定要大于相机的分辨率，否则镜头分辨率低了，相机分辨率是千万像素也没用。
②镜头的靶面尺寸也就是视野范围>=CCD的靶面尺寸，否则会出现黑边。
例：

1）镜头的靶面尺寸也就是视野范围>CCD的靶面尺寸，则显示的图像会是蓝色部分；
2）镜头的靶面尺寸也就是视野范围=CCD的靶面尺寸，则显示的图像会是红色部分；
3）镜头的靶面尺寸也就是视野范围<CCD的靶面尺寸，则显示的图像会是黄色部分（红色部分+黑边）；

总结：相机的选型一般需要确定：①精度满足要求；②确定色彩要求；③曝光时间，如何拍摄运动的物体；④帧率\数据接口；⑤芯片尺寸；⑥镜头接口；⑦其他相关
 

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