相机、光源、镜头基础

相机分类

按照芯片分类

CCD与CMOS芯片相机的优劣:

参数类型	CCD	CMOS
灵敏度	高	较差
动态范围	高	中等
一致性	高	低至中等
曝光时间	快	稍慢
主时钟速度	中等至高	较高
开窗	有限	灵活
抗散焦	高至无	高
供电电压	种类多、电压高	单一、电压低

按照传感器的结构特点
- 线阵相机：线阵相机顾名思义是呈“线”状的，将很多个感光器排成一条线，形成线阵列。虽然也是二维图象，但极长，常见的有2K、4K、8K、16K，而宽度却只有几个象素。一般只在两种情况下使用这种相机：
  1. 被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。
  2. 需要极大的视野或极高的精度。也就是需要进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图像。
  3. 面阵相机。将感光器排列成一个面阵列。
  4. 按照扫描方式
    1. 全局曝光：全局曝光的方式比较简单。也就是说光圈打开后，整个图像芯片同时曝光。因此，曝光时间与机械的开关速度有关。既然与机械运动相关，所以，存在理论上的最小曝光时间。
      - 优点：所有像素点同时曝光
      - 缺点：曝光时间存在局限，存在机械极限的最小曝光时间
    2. 卷帘曝光：卷帘曝光的方式可能与卷帘的概念相关。此种曝光方式是当光圈打开后，还存在具有一定间隔的卷帘来控制传感器的曝光时间。注意，如下图所示，卷帘的方式是从左到右的。因此，曝光时间的长短完全取决于卷帘的开口大小与卷帘的运动速度。也就是说，卷帘运动得越快，卷帘间距越小，其传感器的曝光时间越小。因此，卷帘曝光方式能够具有更小的曝光时间。
      - 优点：具有更小的曝光时间
      - 缺点：逐行曝光，存在拖影，不适合拍摄运动物体
其他分类
1. 按照输出方式：
  1. 模拟相机
  2. 数字相机：将模拟视频转换为数字量，摄像机的视频输出是二进制数字。该类相机分辨率高，灰度动态范围大，能提高视频输出的速度和灵活性。
2. 按照分辨率大小：
  1. 普通分辨率：如640x480，800x600,1024x768
  2. 高分辨率：如6400x4800
3. 按照输出色彩：
  1. 黑白相机
  2. 彩色相机
4. 按照输出信号速度：
  1. 普通速度相机
  2. 高速相机
5. 按照相应频率的范围:
  1. 可见光（普通）相机
  2. 红外摄像机
  3. 紫外相机

相机基础

专业词汇解释
1. 分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480，模拟相机已经逐步被数字相机代替，且分辨率已经达到6576*4384。
2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit、14Bit等。
3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机为每秒采集的行数（Lines/Sec.）。
4. . 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。
5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。数字相机像元尺寸为3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
6. 光圈：调整照射到感光器上光亮的多少。在摄像机参数中调整光圈就是调整光亮积分时间。
7. 光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。
8. 接口类型：有Camera Link接口，以太网接口，1394接口、USB2.0接口、USB3.0接口。
9. 曝光时间：也是快门时间，相机采集一幅图像的时间。一般能达到几万分之一秒。
10. 帧率：每秒钟内摄像机最多能采集的图像数目。一般图像越大帧率就越小。
11. 像素：中文全称为图像元素，像素仅仅只是分辨率的尺寸单位，而不是画质，也就是图像的最小的组成单元。黑白图像中每个像素包含的数据就是相应像素的坐标和灰度信息；而彩色图像每个像素则包含了相应的坐标信息和RGB值。
12. 灰阶：一个影像可被定义是一个二维的函数 f(x , y)，其中x和y是空间平面坐标,在任意一对坐标轴(x , y),f的大小称为这幅影像在该点的强度( instensity )或灰阶(gray level)。灰阶代表了由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别。这中间层级越多，所能够呈现的画面效果也就越细腻。以8bit panel为例，则表现2的8次方，等于256个亮度层次，我们就称之为256灰阶
13. 13.RGB：RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。 RGB各有256级亮度:用数字表示为从0、1、2...直到255。注意虽然数字最高是255，但0也是数值之一，因此共256级。颜色组合：三色256级的RGB色彩总共能组合出约1678万种色彩，即256×256×256=16777216。通常也被简称为1600万色或千万色。也称为24位色(2的24次方)

相机参数示例

规格	DH-HV5051UM-ML	DH-HV5051UC-ML
分辨率	2592 x 1944
传感器类型	逐行扫描CMOS
光学尺寸	1/2.5英寸
像素尺寸	2.2μm x 2.2μm
帧率	8fps @ 2592 x 1944
模数转换精度	12bit
像素深度	8/12bit
图像数据格式	Mono8	Bayer RG8
信噪比	38.1dB
动态范围	70.1dB
增益	分通道模拟增益8~63，步长1
曝光方式	Rolling Shutter
快门时间	48μs -1s
采集模式	连续采集、软触发采集
数据接口	Mini USB 2.0接口
数据传输距离	数据传输距离5米（加中继可达25m）
功耗	<1W @ 5V
镜头接口	C/CS
机械尺寸	38mm x 38mm x 30mm,不含接圈

常用相机品牌
1. 1.CMOS（如大恒HV系列、IDS、DALSA、德国BASLER、日本JAI 、AVT等）
2. 2.CCD （如大恒SV系列，日立，AVT，SVS、DALSA、德国BASLER、日本JAI等）
3. 智能相机（如COGNEX,基恩士)
4. 4.VGA相机（睿智）

常用数据传输方式

接口名称	理论带宽	实际速度	稳定传输速度	备注
USB 1.0	1.MB/S	192KB/S
USB 1.1	12MB/S	1.5MB/S
USB 2.0	480MB/S	60MB/S	36MB/S
1394A	400MB/S	40MB/S	36MB/S
1394B	800MB/S	80-100MB/S	70MB/S
千兆以太网	1000MS/S	125MB/S	100MB/S
USB 3.0	3GB/S	375MB/S	200MB/S
Camera Link-base	75M83=1.8Gbps
Camera Link-Medium	75M86=3.6Gbps
Camera Link-Full	75M88=4.8Gbps

常见分辨率

像素值	4:3分辨率	16:9分辨率	像素值	4:3分辨率	16:9分辨率
0.3M	640×480	720×405	6M	2816×2112
0.5M	800×600	960×540	7M	3072×2304
0.6M		1024×576	7.5M	3200×2400
0.7M	960×720		8M	3264×2448	3840×2160
0.8M	1024×768		9M	3456×2592
0.9M		1280×720	9.5M	3600×2700	4096×2304
1M	1152×864	1366×768	10M	3672×2754
1.2M	1280×960		11M	3840×2880
1.5M	1400×1050	1600×900	12M	4000×3000	4608×2592
2M	1600×1200	1920×1080	12.5M	4096×3072
2.4M	1792×1344	2048×1152	15M	4800×3600	5120×2880
3.2M	2048×1536		20M	5120×3840
4M	2304×1728	2560×1440	30M	6400×4800
5M	2592×1944	3072×1728

常用的芯片尺寸
- 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; 1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm; 1/2.5英寸——靶面尺寸为宽5.12mm*高3.84mm，对角线6.4mm; 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;
- 备注：相机靶面尺寸计算方式为相机的像元尺寸*像素个数。例如 DH-HV5051UM-ML相机,靶面尺寸宽为 2.5*2592/1000=6.48mm， 2.5*1944/1000=4.86 mm
相机选型案例一
- 静态检测：客户要求：产品尺寸20*10mm；产品检测精度为0.01mm；选择相机步骤：因为产品尺寸为20*10mm，产品的放置位置可能会存在四个方向的位移，所以在选择视野范围的时候，需要将视野放大产品尺寸的20%，也就是视野要求为24*12，机台精度要求24/0.01=2400; 12/0.01=1200所以选择500万相机，其分辨率为2500*2000；像素精度：像素精度=分辨率/视野范围。像素精度为单个像素的所代表的实际尺寸
相机选型案例二
- 在线检测：如我们的检测任务是尺寸测量，产品大小是10mm*5mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，速度0.5m/s,检测速度是5件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰问题。请计算出所需相机的分辨率、曝光时间、帧率。
  1. 首先我们知道是流水线作业，速度比较快，因此选用帧曝光类型的相机；
  2. 考虑每次机械定位的误差，将视野比物体适当放大,按照1.2倍计算，视野大小我们可以设定为12mm*6mm。
  3. 假如我们能够取到很好的图像（比如可以打背光），那么我们需要的相机分辨率就是12/0.01=1200pixcel（像素），另一方向是6/0.01=600pixcel，也就是说我们相机的分辨率至少需要1200*600pixcel，因此选择1280*960像素,130万相机。
  4. 因为检测的速度为5件每秒，所以桢率在5倍检测要求的速度上25桢/秒以上的即可。选择25帧/秒的相机。
  5. 我们以在曝光时间内，物体运动小于一个象素为准，选择2/3 inch的感光器，则曝光时间为：12/1280/（0.5m/s*1000）＝0.00001875 秒=18. 75μs
重点信息
- 如果是动态拍照，运动速度是多少，根据运动速度选择最小曝光时间以及是否需要逐行扫描的相机。
- 如果物体运动速度快，曝光时间短，就会出现虚影或者拉线相机的桢率（最高拍照频率）跟像素有关，通常分辨率越高桢率越低，不同品牌的工业相机的桢率略有不同；
- 根据检测任务的不同、产品的大小、需要达到的分辨率以及所用软件的性能可以计算出所需工业相机的分辨率；
- 现场环境要考虑的是温度、湿度、干扰情况以及光照条件来选择不同的工业相机。