20190822-摄像头完整选型文档
1. 摄像头可实现的ADAS功能
2. 车载摄像头类型
车载摄像头的前置摄像头的类型主要包括单目和双摄，其中双目摄像头拥有更好的测距功能，但需要装在两个位置，成本较单目贵50%左右。环视摄像头的类型是广角镜头，在车四周装配4个进行图像拼接实现全景图，加入算法可实现道路线感知；而后视摄像头的类型是广角或鱼眼镜头，主要为倒车后置镜头。
参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/76890052
3.选型方法
输入：相机到物体的距离、镜头的靶面尺寸、待测物体的大小、像元尺寸（um）
输出：系统的放大倍率、焦距、可分辨物体的精度
3.1 例子
要对一个100mm见方的黑白物体进行拍摄，要求能够分辨小于0.1mm的细节，相机到物体的距离在200～400mm之间，要求选择合适的相机和镜头。
分析：
1.相机到物体的距离：考虑摄像头本身的尺寸，可以假定距离为200～320mm，选择中间值260mm作为物距。
2.镜头的靶面尺寸：2/3英寸（8.8 x 6.6 mm）
3.待测物体的大小：100mm
4:像元尺寸：6.45um
计算：
- 系统的放大倍率 = 靶面小尺寸/物体大小 = 传感器成像面高度 / 被测物尺寸（视场高度）= 6.6 / 100 = 0.066
- 焦距 = 物距 / （1 + 1 / 放大倍率）= 260 / （1+ 1 / 0.066）=16.1 mm
- 可分辨物体的精度 = 像素尺寸 / 放大倍率 = 0.00645 / 0.066 = 0.098 mm < 0.1mm ，满足精度要求
3.2 对应参数
4.部分镜头参数介绍
4.1 分辨率与像素
像素即px，是画面中最小的点（单位色块）。像素的大小是没有固定长度值的，不同设备上1个单位像素色块的大小是不一样的。
分辨率=画面水平方向的像素值 * 画面垂直方向的像素值。
分辨率可以分为两方面：屏幕分辨率和图像分辨率
**图像分辨率:图像分辨率是指每英寸图像内的像素点数。**图像分辨率是有单位的，叫 像素每英寸。分辨率越高，像素的点密度越高，图像越逼真（这就是为什么做大幅的喷绘时，要求图片分辨率要高，就是为了保证每英寸的画面上拥有更多的像素点）。
**屏幕分辨率：屏幕分辨率是屏幕每行的像素点数*每列的像素点数，**每个屏幕有自己的分辨率。屏幕分辨率越高，所呈现的色彩越多，清晰度越高。
高清的概念是1080p，意思是分辨率达到1920x1080，看上去很高，其实并没有多少，也就两百万像素。
4K指的是屏幕在水平方向上近似有4000个像素点，通常表示分辨率为4K * 2K级别，例如3840 * 2160左右。
1080p的分辨率通常为1920 * 1080，也被称为Full HD。1080p指的是屏幕在竖直方向上有1080个像素点。也可以把1080p叫做2K。
1920×1080 也就是表示电脑显示屏或者手机显示屏横向可以显示 1920 个像素，纵向可以显示 1080 个像素，也就是横向有 1920 个点，纵向有 1080 个点。常见的1080p ( 1920 × 1080 )720p ( 1280 × 720 ）4k ( 3840 × 2160 )
P 720P,1080P等，表示的是“视频像素的总行数”，比如，720P表示视频有720行的像素，而1080P则表示视频总共有1080行像素数，1080P分辨率的摄像机通常像素数是19201080。“P”本身表示的是“逐行扫描”，是Progressive的缩写，相对于隔行扫描(Interlaced)。
K 2K,4K等，表示的是“视频像素的总列数”，如4K, 表示的是视频有4000列像素数，具体是3840或4096列。4K分辨率的摄像机通常像素数是38402160或4096*2160.
MP MP是像素总数，即像素的行数§及列数(K)相乘后的结果(百万像素)。比如，1080P摄像机是1920像素与1080像素相乘，得到2MP(百万像素)的像素总数。
根据目标的要求精度，反推出相机的像素精度。相机单方向分辨率=单方向视野范围除以理论精度。
例如对于视野大小为1010mm的场合，要求精度为0.02mm/pixel,则当方向上分辨率=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4或者更高，这样相机单方向分辨率为2000，相机的分辨率=20002000=400万，所以选用500万像素的相机即可满足。
4.2 视场角
视场角在光学仪器中视场角分物方视场角和像方视场角。一般光学设备的使用者关心的是物方视场角。对于大多数光学仪器,视场角的度量都是以成像物的直径作为视场角计算的。如：望远镜、显微镜等。视场角与焦距的关系：一般情况下，视场角越大，焦距就越短。
例如：镜头焦距2.5 mm，视场角为 45° 左右。
镜头焦距5.0 mm，视场角为 23° 左右。
镜头焦距7.5 mm，视场角为 14° 左右。
镜头焦距10 mm，视场角为 12° 左右。
镜头焦距15 mm，视场角为 8° 左右。
注意：视场角分为三个方向D（对角）、H（水平）、V（垂直）
4.3 光圈
光圈是安在照相机镜头的特殊设置，是控制曝光量大小多少的一个装置，它与快门速度共同控制摄影的光线。
4.3.1 光圈有哪些？
完整的光圈值系列如下: f1，f1.4，f2，f2.8，f4，f5.6，f8，f11，f16，f22，f32，f44，f64。
4.3.2 什么是大光圈小光圈？
这里需要注意的是光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多。而且上一级的进光量刚是下一级的两倍，例如光圈从f8调整到f5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。光圈的f值越小，进光量越多，我们称之为大光圈。光圈的f值越大，进光量越少，我们称之为小光圈。摄影爱好者一定要理解以上概念，以免闹出笑话。
4.3.3 光圈与景深的关系
摄影的光圈有大光圈和小光圈，当然这也关联着一个摄影的景深的关键问题，也就是说，光圈与景深有一定的辩证关系。
光圈越小，景深越大。
光圈越大，景深越小。
4.4 CCD与CMOS
CCD提供很好的图像质量、抗噪能力，尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大，复制下提高，但在电路设计师可更加灵活，更好的提升CCD相机某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文、高清晰的医疗X光影像、其他需要长时间曝光，对图像噪声要求比较严格的应用场合。
CMOS具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等优点。但本身图像的噪声比较多。目前的CMOS技术不断发展，已经克服了早期的许多缺点，发展到了图像品质方面可以与CCD技术相较量的水平。CMOS适用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大部分消费性商业数码相机。目前CCD工业相机任然在视觉检测方案中占据主导地位。
工业相机按照图像的传感器元件的不同分为CCD（Charge Coupled Device,电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两类，两者的区别如下：
4.4.1 成像过程不同：
CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一输出数据，信号一致性好，而CMOS芯片中每个像素都有自己的信号放大器，各自进行电荷到电压的转换，输出信号的一致性较差，比CCD的信号噪声更多，但是CMOS的一个显著优点是功效较低。
4.4.2 集成性不同：
CCD的制造工艺复杂，输出的只是模拟电信号，还需要后续的译码器，模拟转换器，图像信号处理器等，集成度低。COMS可以把信号放大器，模数转换器等集成在一块芯片上，集成度高，成本低。随着CMOS成像技术的进步，CMOS未来会有越来越多的应用场景。
4.4.3 图像输出速度不同：
CCD采用逐个光敏输出，速度较慢，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。
4.4.3 噪声方面：
CCD技术较为成熟，成像质量相较CMOS具有一定优势，CMOS的集成度更高，各元器件间距距离更近，干扰更多。
4.5 线阵相机与面阵相机
线阵相机的传感器只有一行感光元素，一般应用于需要高频扫描和高分辨率的场合。线阵CCD的优点是一维像元数可以做到很多，一般长度有2K,4K,8K,12K，但线阵CCD获取图像必须配以扫描运动，为了能确定图像上每一个像素点在被测件上的对应位置，还需要配以光栅等器件记录线阵CCD每一扫描行的坐标，并配以线阵相机专用的图像采集卡，这就导致线阵相机系统较为复杂，成本略高，并用容易受扫描运动的精度和稳定性的影响。面阵相机的像元在纵横两个方向上间隔的离散度是一致的，而线阵CCD的像元间距和扫描行距上一般是有差别的，由于扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。
面阵相机有比线阵相机更多的感光镜片，以矩阵排列，例如常说的百万像素相机即表示感光镜片矩阵WH约等于10001000。面阵相机一次成像，它的分辨率指的是一个感光晶片代表的实物物体的大小。数值越小，分辨率越高，相同的相机选用不同集中的箭头，分辨率就不同。在表现图像细节方面，不是由相机的像素多少来决定的，而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下，像素越多可以成像的区域面积越大。
4.6 工业相机的输出接口
工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器，那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理，则有多种输出接口选择，但必须和采集卡的接口一致，通常有以下几种方式：
4.6.1 USB接口
USB接口直接输出数字图像信号，串行通信，支持热拔插，传输速度在120Mbps-480Mbps之间，会占用CPU资源。传输距离较短，稳定性稍差。目前广泛采用的USB2.0接口，是最早应用的数字接口之一，具有开发周期短，成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢，传输数据过程需要CPU参与管理，占用资源，且由于接口没有螺丝固定，链接容易松动，最新的USB3.0接口使用了新的USB协议，可以更快的传输数据，但目前USB3.0的相机市场上不是很多。
4.6.2. 1394a/1394b接口
俗称火线接口，是美国电气和电子工程师学会（IEEE）制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集，数据传输率可达800Mbps，支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡，使用不方便，且由于早期苹果对该技术的垄断，市场普及率较低，已慢慢被市场所淘汰。
4.6.3. Gige接口
千兆以太网接口，PC标准接口，传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点，使用方便，CPU资源占用少，可多台同时使用。
4.6.4. Camera Link接口
需要单独的Camera Link采集卡，成本较高，便携性低，实际应用中较少，但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式，一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用，价格昂贵。
4.7 像素深度
每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。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（1024Byte=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）。
4.8 信噪比
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。
4.9 曲线
4.9.1 衡量镜头解像能力性能的指标-MTF曲线
MTF（Modulation Transfer Function，模量传递函数)，是目前分析镜头解像能力的方法，可以用来评判镜头还原物体对比度的能力。说到MTF，不得不先提一下衡量镜头性能的两在重要指标–分辨率和反差。
分辨率和反差的综合表现，被称为清晰度（Clarity），两者是全面评价一个摄像头成像质量的两大重要因素。
MTF使用的是黑白逐渐过渡的线条标板，通过镜头进行投影。被测量的结果是反差的还原情况。如果所得影像的反差和测试标板完全一样，则MTF值为100%（1），这是理想的最佳镜头。若反差为一半，则MTF值为50%，数值0表示渐变黑白线条被还原为单一的灰色，当数值超过80%（20lp/m）则已很好。
测试一般分为径向和切向两个方向，如果两个方向上MTF值相差较大，说明镜头遭受较严重的像散。另一点是需要注意使用相同的线对分布，线对分布越密，测得的MTF值通常也越低。同时MTF也与相机的光圈有关，在最大和最小光圈下MTF值通常非常低，最佳MTF值一般在小于最大光圈2-3档处获得。人眼能够分辨的最低调制度为0.05，即入眼能分辨1 mm内有20线对的图像，高于20线对人眼已经无法分辨。
MTF曲线如何看？
常见的MTF曲线是这样的:横轴代表距离影像传感器(数码相机)中心的径向距离（沿着传感器的对角线方向），纵细是MTF值。图中一般给出两组MTF曲线：一组对应低频=10LP/mm，一组对应高一些的频率=30LP/ mm。每组曲线又分两条，一条代表镜头对径向线条（线条方向沿着由传感器中心向外的径向）的解像力（实线）；另外一条代表镜头对切向线条（线条方向和传感器中心的同心圆相切）的解像力（虚线）。
4.9.2 光谱曲线
光谱特性曲线是指光谱波长与其他变量间的关系曲线。保持入射光的强度（即光通量）不变，测出不同频率的光所产生的光电流，作出两者之间的关系曲线。
4.10 防护等级
目前国际上通用的防护等级的标准是采用国际电工协会1992年公布的IP防护等级标准——IEC 60529，其表示方法以 “IP”加上两个数字，比如常见的IP20。IP是“Ingress Protection”的缩写，中文翻译为“侵入防护”。两个数字代表不同的含义，第一个表示防尘（固体颗粒物）的等级，第二个表示防水的等级。
5.参数概念
（1）像面尺寸：镜头选配时需要选择与摄像机接口和CCD的尺寸相匹配的镜头。（例如2/3”镜头支持最大的工业相机靶面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。）
（2）焦距：焦距是主点到成像面的距离。这个数值决定了摄影范围的不同。数值小，成像面距离主点近，是短焦距镜头。 这种情况下的的画角是广角、可拍摄广大的场景。相反的、主点到成像面的距离远时、是长焦距镜头，画角变窄（望远）。
（3）通光孔径：镜头的明亮度与口径和焦距的变化有关。一般用F值表示镜头的明亮度，另外镜头里有用于调整亮度的光圈构件，可根据使用条件来调整通光量。
（4）视场(FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。）
（5）工作距离(WD)：指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等；在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。）
（6）分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。
（7）景深(DOF) ：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。
（8）放大倍率：指物体通过透镜在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。
6.参考链接
https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/52810370
https://zhuanlan.zhihu.com/p/78792926
https://blog.csdn.net/weixin_31075593/article/details/79737380
http://www.yvsion.com/chanpinzhishi/182.html
https://www.dzoptics.com/blog/27-b46.htm
https://zhuanlan.zhihu.com/p/60807892
https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/52810370
https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/52851913
https://zhuanlan.zhihu.com/p/28670399