双目相机选择——镜头与相机的参数介绍及选择

一.知识梳理

1.1 双目原理

链接1
链接2

二.镜头与相机的选择

同一位博主的两篇非常全面的博文：

镜头：https://www.cnblogs.com/iluzhiyong/p/4458116.html（可惜我做完镜头部分笔记了才看到）

相机：https://www.cnblogs.com/iluzhiyong/p/4458114.html

2.1 相机选择

选型基本原则

当视野大小即检测目标大小一定时（选相机时一般将目标大小视为视野大小），相机分辨率越大，精度越高，图像分辨率也越大；当视野大小不确定时，不同分辨率相机也能达到同样的精度，这时选择大像素相机可以扩大视野范围，减少拍摄次数，提高测试速度。若1个是1百万像素，另1个是3百万像素，当清晰度相同（精度均为20um/pixel）,第1个相机的FOV是20mm×20mm＝400平方mm，第二个相机的FOV是1200平方mm,拍摄生产线上同样数量的目标，假设第1个相机要拍摄30个图像，第2个相机则只需拍摄10个图像就可以了。

• 明确检测任务，是拍静态还是动态，拍照的频率是多少，是做缺陷检测还是尺寸测量或定位，产品的大小（视野）是多少，需要达到多少精度，现场环境（尤其是光照条件）情况如何，有没有其它的特殊要求等。

• 根据检测项目的需求和待检目标的特点确定选用面阵摄像机还是线阵摄像机

  线阵摄像机适合于目标物体幅面大，或缺陷尺寸微小的场合，如：印刷质量检测，PCB板检测，布匹或棉花的检测，颗粒（粮食、水果等）检测等。

• 确定选用彩色摄像机还是单色摄像机。在一些颜色分类的场合，选用单色摄像机配合不同光谱的光源或滤色片，也会使处理简化

• 定义待检目标的最小特征和检测视场，由此确定摄像机的分辨率

• 根据目标运动速度和通过率，确定摄像机的帧率（行频）

• 根据处理需求，选择摄像机的智能特性，如: 平场校正，LUT, binning等。

2.1.1 常见参数

• 分辨率(Resolution)
  所谓分辨率就是指画面的解析度，摄像头每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于摄像头一般是直接与传感器的像元数对应。通常所看到的分辨率都以乘法形式表现的，比如1024768，其中的1024表示屏幕上水平方向显示的点数，768表示垂直方向的点数。对于模拟摄像头则是取决于视频制式，PAL制为768576，NTSC制为640*480。

• 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate)：
  摄像头采集传输图像的速率，对于面阵摄像头一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵摄像机为每秒采集的行数(Hz)。

• 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter)
  对于线阵摄像头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；面阵摄像头有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字摄像头一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速摄像头还可以更快。

• 像素深度(Pixel Depth)：
  即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字摄像机一般还会有10Bit、12Bit等。

• 像元尺寸(Pixel Size)：
  像元大小和像元数（分辨率）共同决定了摄像头靶面的大小。目前数字摄像头像元尺寸一般为3μm-10μm。

• 感光区靶面尺寸：
  指摄像头感光芯片大小，分别有1英寸，2/3英寸，1/2英寸，1/3英寸，1/4英寸等等，英寸数越小，所照的视场范围越小。

• 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，一些摄像头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。

  • 感光谱段

  光学成像图及光的波长及辐射图

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  • 工作波长

  光学镜头都是针对一定波长范围内的光波工作，自物面发出的光波，在此波长范围内的，能够通过镜头在像面上成一清晰像，而且能量衰减较小；而在此范围外的光波，则难以校正像差，成像质量差，分辨率低，而且能量衰减很大，甚至被光学介质材料所吸收，完全不能通过镜头。
  光就其本质来说就是电磁波，按照波长通常将其划分成不同的光谱波段，如下表所示：

波 段	符号	波长(nm)
紫外 (UV) 100～380	真空紫外	VUV	100~200
	远紫外	FUV	200~280
	中紫外	Middle UV	280~315
	近紫外	Near UV	315~380
可见 (VIS) 380~780	紫	Violet	380~424
	蓝	Blue	424~486
	蓝绿	Blue green	486~517
	绿	Green	517~527
	黄绿	Yellow green	527~575
	黄	Yellow	575~585
	橙	Orange	585~647
	红	Red	647~780
红外 (IR)780nm~1mm	近红外	NIR	780nm-3mm
	中红外	MIR	3mm-50mm
	远红外	FIR	50mm-1mm

2.1.2 选型

• 模拟相机&数字相机
  模拟相机必须带数字采集卡，经数字采集卡转换为数字信号进行传输存储。一般模拟相机分辨率很低，另外帧率也是固定的。模拟信号可能会由于工厂内其他设备（比如电动机或高压电缆）的电磁干扰而造成失真。随着噪声水平的提高，模拟相机的动态范围（原始信号与噪声之比）会降低。动态范围决定了有多少信息能够被从相机传输给计算机。
  数字相机采集到的是数字信号，数字信号不受电噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。这个要根据实际需求来选择。

  选择数字相机还是模拟相机

  1. 图像处理器和采集卡属于相对容易选择的电子装置，它们的主要参数是存储能力和处理速度。
  2. **CCD和CMOS二者在图像质量上没有明显的优劣之分。基于CMOS的工业相机**需要的部件较少，电耗较低，提供数据的速度也比基于CCD的相机快； 但CCD则是更为成熟的技术，能够以较低的噪声提供质量更好的图像，而弱点是数据传输速度较慢，不太灵活，部件较多和电耗较高。
  3. 影响相机价格因素
     • 典型情况下，由于传感器尺寸的原因，像素数越高的相机就越昂贵。
     • 在一定的分辨率下，帧速提高，成本也趋向于增加。
     • 时提高帧速和分辨率通常要求相机具有多端口读出，这使系统的复杂程度增加，因而提高了成本。
  4. CCD和CMOS芯片在内部都生成模拟信号，因此，模拟相机和数字相机之间的主要区别在于图像是在哪里被数字化的。数字相机在相机里将信号数字化，并且通过串行总线接口（比如FireWire, USB, Camera Link, Gigabit Ethernet）将信号以数字方式传输给计算机（或图像处理器）。而在另一方面，模拟相机系统并不是在其内部将图像信号数字化（数字化是由计算机完成的），所以，模拟信息是通过同轴电缆而进行传输的。
  5. 尽管两种方法都能够有效地传输信号，**但模拟信号可能会由于工厂内其他设备（比如电动机或高压电缆）的电磁干扰而造成失真。随着噪声水平的提高，模拟相机的动态范围（原始信号与噪声之比）会降低。**动态范围决定了有多少信息能够被从相机传输给计算机。
  6. 典型的模拟相机需要5瓦到10瓦操作功率，而分辨率指标相当的数字相机则不到1瓦
  7. 结论：为机器视觉系统选择相机时要认真考虑工业相机的性能和成本。虽然工业模拟相机远比工业数字相机便宜，但它们的分辨率和图像质量较低，所以可能会被局限在要求不太高的应用中。数字相机比模拟相机昂贵，但它们的高成本可能值得为要求高速度、高准确度和高精度的应用而付出。

• 分辨率
  分辨率不是越高越好，是要根据系统实际应用需求来选择分辨率的大小。
  应用案例：假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为108mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在1210mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳(我见过最多的人抱着亚像素不放说要做到零点几的亚像素，那么就不用这么高分辨率的相机了。比如他们说如果做到0.1个像素，就是一个缺陷对应0.1个像素，缺陷的大小是由像素点个数来计算的，试问0.1个像素的面积怎么来表示？这些人以亚像素来忽悠人，往往说明了他们的没有常识性)。换言之，我们仅仅是用来做测量用，那么采用亚像素算法，130万像素的相机也能基本上满足需求，但有时因为边缘清晰度的影响，在提取边缘的时候，随便偏移一个像素，那么精度就受到了极大的影响。故我们选择300万的相机的话，还可以允许提取的边缘偏离3个像素左右，这就很好的保证了测量的精度。

• CCD&CMOS

  CCD和CMOS的主要性能比较

  • 满阱容量差异：由于CMOS传感器的每个像素包括一个感光二极管、放大器和读出电路，同时整个传感器还包括寻址电路和A/D,使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的满阱能力要低于CCD传感器。
  • 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、时序、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。
  • CMOS 传感器可以随机寻址，能够非常方便地仅将队列中感兴趣地部分读出，提高帧率。
  • 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器在水平寄存器输出端的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。
  • 功耗差异：CMOS传感器的功耗低于CCD传感器。

  ​ 如果要求拍摄的物体是运动的，要处理的对象也是实时运动的物体，当然选择迪美捷全帧曝光的CCD芯片相机为最适宜。但有的厂商生产的CMOS相机如果采用帧曝光的方式的话，也可以当作CCD来使用的。又假如物体运动的速度很慢，在我们设定的相机曝光时间范围内，物体运动的距离很小，换算成像素大小也就在一两个像素内，那么选择CMOS相机也是合适的。因为在曝光时间内，一两个像素的偏差人眼根本看不出来(如果不是做测量用的话)，但超过2个像素的偏差，物体拍出来的图像就有拖影，这样就不能选择CMOS相机了。

• **彩色&黑白

  ** 不一定是彩色更好！！！

  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，尤其是在看图像边缘的时候，黑白的效果更好。

• 帧率
  根据要检测的速度，选择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。

• 线阵&面阵 对于检测精度要求很高，面阵相机的分辨率达不到要求的情况下，当然线阵相机是必然的一个选择；择线阵摄像机适合于目标物体幅面大，或缺陷尺寸微小的场合，如：印刷质量检测，PCB板检测，布匹或棉花的检测，颗粒（粮食、水果等）检测等。

• CCD靶面
  靶面尺寸的大小会影响到镜头焦距的长短，在相同视角下，靶面尺寸越大，焦距越长。在选择相机时，特别是对拍摄角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。因此在选择CCD尺寸时，要结合镜头的焦距、视场角一起选择，一般而言，选择CCD靶面要结合物理安装的空间来决定镜头的工作距离是否在安装空间范围内，要求镜头的尺寸一定要大于或等于相机的靶面尺寸。

• 速度和曝光

  在选择一款工业数字相机时，物体成像的速度必须充分考虑好。例如，假设在拍摄过程中，物体在曝光中没有移动，可用相对简单和便宜的工业相机；**对于静止或缓慢移动的物体，面阵工业相机最适合于对静止或移动缓慢的物体成像。**因为整个面阵区域必须一次曝光，在曝光时间当中任何的移动会导致图像的模糊，但是，运动模糊可以通过减少曝光时间或使用闪光灯来控制；**对于快速移动的物体，当对运动的物体使用一个面阵工业相机时，需要考虑在曝光时间当中处于工业相机当中的运动对象数量，还需要考虑物体上能用一个像素表征的最小特征，也就是对象分辨率，在采集运动物体的图像的拇指规则就是曝光必须发生在采集物体移动量小于一个像素的时间内。**如果你采集的物体是在以1厘米/秒的速度匀速移动，而且物体分辨率已经设置为1 pixel/mm，那么需要的最大曝光时间是1/10每秒。因为物体移动一个距离恰好等于相机传感器中的一个像素，当使用最大曝光时间时这里会有一定数量的模糊。在这种情况下，一般倾向于将曝光时间设置的比最大值要快，比如1/20每秒，就能保持物体在移动半个像素内成像。如果同样的物体以1厘米/秒的速度移动，物体分辨率为1 pixel/微米，那么一秒中所需要的最大曝光是1/10000.曝光设置的对快取决于所采用的相机，还有你是否能够给物体足够的光来获得一幅好的图像。

• **传输接口：工业相机的前面就是用来接镜头，都是有专业的标准接口。它的后面，一般有两个接口，一个是电源接口，一个是数据接口。根据传输的距离、稳定性、传输的数据大小（带宽）**选择USB、1394、Camerlink、百兆/千兆网接口的相机。

• 1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 1394**接口相机：系统用到多个相机的时候可先择，要求高速的时候可先择。优点：不占系统CPU，帧频高； 缺点：占PCI插槽，价格昂贵。

2.1.3 示例

举例说明工业相机的选择原则：如检测任务是尺寸测量，产品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，检测速度是10件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰问题。首先知道是流水线作业，速度比较快，因此选用逐行扫描相机；视野大小我们可以设定为20mm*12mm（考虑每次机械定位的误差，将视野比物体适当放大），假如能够取到很好的图像（比如可以打背光），而且我们软件的测量精度可以考虑1/2亚像素精度，那么我们需要的相机分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel（像素），另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是说我们相机的分辨率至少需要1000*600pixcel，桢率在10桢/秒，因此选择1024*768像素（软件性能和机械精度不能精确的情况下也可以考虑1280*1024pixcel），帧率在10桢/秒以上的即可。

2.2 镜头选择

2.2.1 常见参数

• **焦距 f (FocalLength)*焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。

  焦距的大小决定着视角的大小（反比），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。

  根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

• **光圈 (Iris)/通光量F（光阑系数）：**通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以Ｆ为标记，每个镜头上均标有其最大的Ｆ值，例如　8mm　/F1.4代表最大孔径为　8/1.4=5.7毫米。
  $$F=f/通光孔径$$

  $$光圈指数=1/通光孔径$$

  通光量与Ｆ值的平方成反比关系，Ｆ值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。F值越小，光圈越大，F值越大，光圈越小。

  镜头上光圈指数序列的标值为1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一数值是后一数值的根号2倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。

• 对应最大CCD尺寸(SensorSize)：镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。主要有：1/2″、2/3″、1″和1″以上。

  注：SENSOR在计算尺寸时，不是按简单的长度换算单位计算的（长度换算是：1英寸=25.4mm），而是按1英寸=16mm算的。

  CCD 靶面规格尺寸(更多的尺寸可以网上搜)：单位mm

  规格	1/3"	1/2"	2/3"	1"
  H	4.8	6.4	8.8	12.8
  V	3.6	4.8	6.6	9.6

• 像元尺寸：，是指一个像素在长和宽方向上所代表的实际大小。

$$像元尺寸=传感器尺寸/分辨率（像元个数）=G/E$$

• 光学放大倍数(Magnification,ß)：CCD/FOV，即芯片尺寸除以视野范围。
  $$光学倍率＝靶面尺寸(HorV)/FOV(HorV)$$
  （这个一般对于远心镜头比较重要，就是相机当作显微镜时，其放大倍数越大越好。）

• **接口(Mount)：**镜头与相机的连接方式。常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

• 数值孔径(Numerical Aperture,NA)

  数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半（a\2）的正弦值的乘积，计算公式为N.A=n*sina/2。数值孔径与其它光学参数有着密切的关系，它与分辨率成正比，与放大率成正比。也就是说数值孔径，直接例如　8mm　/F1.4代表最大孔径为　5.7毫米，数值孔径越大，分辨率越高，否则反之。

• 后背焦(Flangedistance)

  准确来说，后倍焦是相机的一个参数，指相机接口平面到芯片的距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后倍焦是一个非常重要的参数，因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机，哪怕接口一样也可能有不同的后倍焦。

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  外部条件确定：

• **分辨率(Resolution)：**分辨率代表镜头记录物体细节的能力，以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位：“线对/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的镜头成像越清晰。

  分辨率不是越高越好，是要根据系统实际应用需求来选择分辨率的大小。
  应用案例：假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为108mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在1210mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)(10/0.01)=12001000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳(我见过最多的人抱着亚像素不放说要做到零点几的亚像素，那么就不用这么高分辨率的相机了。比如他们说如果做到0.1个像素，就是一个缺陷对应0.1个像素，缺陷的大小是由像素点个数来计算的，试问0.1个像素的面积怎么来表示？这些人以亚像素来忽悠人，往往说明了他们的没有常识性)。换言之，我们仅仅是用来做测量用，那么采用亚像素算法，130万像素的相机也能基本上满足需求，但有时因为边缘清晰度的影响，在提取边缘的时候，随便偏移一个像素，那么精度就受到了极大的影响。故我们选择300万的相机的话，还可以允许提取的边缘偏离3个像素左右，这就很好的保证了测量的精度。

• **视野范围(FOV)：**相机实际拍到区域的尺寸。

• **工作距离(Workingdistance,WD)：**镜头第一个工作面到被测物体的距离。

• **景深(Depth ofField,DOF)：**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。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。

  1. 光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。(反)
  2. 焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。(反)
  3. 离拍摄体距离越近时，景深越小；距离拍摄体越远时，景深越大。(正)

  **注：**记住控制单一变量，如果物距与焦距一起变总体上景深是变大的，因为物距的增速大于焦距的减速）

• 光谱特性

  光学镜头的光谱特性主要指光学镜头对各波段光线的透过率特性。在部分机器视觉应用系统中，要求图像的颜色应与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在总强度上有一定损失外，其光谱组成并不发生改变。

  ​ 影响光学镜头光谱特性的主要因素为：膜层的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在机器视觉系统中，为了充分利用镜头的分辨率，镜头的光谱特性应与使用条件相匹配。即：要求镜头最高分辨率的光线应与照明波长、CCD器件接受波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。

(一) 镜头各参数的影响

(1)焦距大小的影响情况：

焦距越小，景深越大；

焦距越小，畸变越大；

焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低；

(2)光圈大小的影响情况：

光圈越大，图像亮度越高；

光圈越大，景深越小；

光圈越大，分辨率越高；

(3)像场中央与边缘

一般像场中心较边缘分辨率高；

一般像场中心较边缘光场照度高；

(4)光波长度的影响：

在相同的摄像头及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

(二) 镜头各参数受什么的影响

(1)通光量

​ 光圈F

(2)景深

1. 光圈越大，景深越小；光圈越小、景深越大。(反)
2. 焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。(反)
3. 离拍摄体距离越近时，景深越小；距离拍摄体越远时，景深越大。(正)

**注：**记住控制单一变量，如果物距与焦距一起变总体上景深是变大的，因为物距的增速大于焦距的减速）

(3)视角

​ 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。

2.2.2 选型

(一) 相机匹配方面

1. 相机的靶面和镜头的靶面要一致。

2. 相机的接口和镜头的接口要一致。

   接口：常用的包括C、CS、F、V、T2、Leica、M42x1、M75x0.75等。

   镜头接口只要可跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了，其一般的接口是C口跟CS口，这两者主要的区别是图像传感器与镜头之间的距离不同这两者类型的接口没有细分的，其C口的大小全都都一样；镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸。

   CS-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为12.5 mm

   C-mount： 图像传感器到镜头之间的距离应为17.5 mm。一个5 mm的垫圈(C/CS连接环)可用于将C-mount镜头转换为CS-mount镜头

   C口螺纹和CS口螺纹是一样的口径一英寸，in32牙的螺纹，他们的不同在于焦距，C口焦距17.5mm CS口为12.5mm

3. 镜头的靶面尺寸大于等于相机靶面

4. 

   ​ 其实这不是一个硬性条件，只是这样子出来的图片有的地方因为爆不了光而变成黑色。所以选匹配的工业镜头主要三个条件计算焦距。

5. 相机跟镜头分辨率选型要匹配

   ​ 一般在对相机与镜头选型时，在分辨率匹配方面，为了方便记忆镜头与相机的匹配关系，人们常采用对应相机的分辨率来命名镜头。这种命名方式其实并不科学，同时给新接触视觉系统的人带来了很多误解，经常会机械的套用百万像素分辨率相机对应百万像素镜头，二百万像素分辨率相机对应二百万像素镜头，而五百万像素分辨率相机则对应五百万像素镜头。其实镜头与相机对应的并不是相机自身的像素分辨率(像素数)，而是各自的极限空间分辨率(即传递函数MTF对应的空间截止频率)。
   按目前公开的性能指标，百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为90线对/mm，两百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为110线对/mm，五百万像素的镜头对应的极限空间分辨率为160线对/mm。按照相机镜头的匹配原则，镜头的极限分辨率需大于或等于相机的极限分辨率，那么百万像素镜头配合的相机的极限分辨率必须小于90线对/mm，两百万像素镜头和五百万像素镜头所配相机的原理相同。
   那么怎样知道相机的极限空间分辨率呢?相机的极限空间分辨率不是由相机自身的分辨率决定，而是由相机芯片的单个像元尺寸决定。具体计算公式如下：
   $$1/(单个像元尺寸\ast 2)，单位：线对/mm$$
   ​ 例如，我们常用的AVT GUPPY Pro系列的F125B相机，其为130万，1/3寸CCD,其单个的像元尺寸为3.75um*3.75um.一般相机像素分辨率越大则其像元尺寸越小。则此相机极限空间分辨率为：
   $$1mm/(3.75um\ast 2)=133.33线对/mm$$
   ​ 由镜头的极限空间分辨率大于相机的极限空间分辨率可知，选择五百万像素的镜头较合适。

   ​ 由镜头的极限空间分辨率大于相机的极限空间分辨率可知，选择五百万像素的镜头较合适。

   ​ 例如，我们常用的AVT GUPPY Pro系列的F125B相机，其为130万，1/3寸CCD,其单个的像元尺寸为3.75um*3.75um.一般相机像素分辨率越大则其像元尺寸越小。则此相机极限空间分辨率为：
   $$1mm/(3.75um\ast 2)=133.33线对/mm$$
   ​ 由镜头的极限空间分辨率大于相机的极限空间分辨率可知，选择五百万像素的镜头较合适。

   ​ 由镜头的极限空间分辨率大于相机的极限空间分辨率可知，选择五百万像素的镜头较合适。

6. 计算焦距

   注：SENSOR在计算尺寸时，不是按简单的长度换算单位计算的（长度换算是：1英寸=25.4mm），而是按1英寸=16mm算的。

   • 方法一：

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如图所示，在已知相机CCD尺寸（靶面尺寸）、工作距离（WD）和视野（FOV）的情况下，可以计算出所需镜头的焦距（f）。　貌似高度与宽度的焦距需要分开计算。

焦距f h＝ WD × 靶面尺寸(H) / FOV( H)+靶面尺寸(H)
$$焦距f＝WD\times 靶面尺寸(HorV)/FOV(HorV)$$

$$视场FOV(HorV)＝WD\times 靶面尺寸(HorV)/焦距f$$

$$视场FOV(HorV)＝靶面尺寸(HorV)/光学倍率$$

$$工作距离WD=f(焦距）\times 靶面尺寸/FOV(HorV)$$

$$光学倍率＝靶面尺寸(HorV)/FOV(HorV)$$

由于摄像头画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3，当L 不变，V 或H 增大时，f 变小，当V 或H不变，L 增大时，f 增大。

**注：**的计算公式只适合工业镜头的选型，因为其符合小孔成像原理，不用考虑其光学倍率，因为相同焦距、像面尺寸的工业镜头其在固定距离的光学倍率都是一样的；如果是那种广角、鱼鹰类的镜头则要通过另一种方式选，就是镜头的“光学倍率”，就是CCD/FOV，因为它们不符合严格的小孔成像原理，而是有更大的屈光率。

示例：

CCD 靶面规格尺寸(更多的尺寸可以网上搜)：单位mm

规格	1/3"	1/2"	2/3"	1"
H	4.8	6.4	8.8	12.8
V	3.6	4.8	6.6	9.6

举例：假设用1/2”CCD摄像头观测，被测物体宽440毫米，高330毫米，镜头焦点距物体2500毫米。
由公式可以算出：
焦距f=6.4 * 2500 / 440≈36毫米或
焦距f=4.8 * 2500 / 330≈36毫米
当焦距数值算出后，如果没有对应焦距的镜头是很正常的，这时可以根据产品目录选择相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些。

方法二：

L工作距离，系统分辨率单位为微米，焦距f

M = 像元尺寸(系统分辨率)，是指一个像素在长和宽方向上所代表的实际大小。

f = L*M(M+1)

• ​ 注意：计算完成后最好确认一些视场大小足不足够。

重点

1. 镜头可支持的最大CCD尺寸应大于等于选配相机CCD芯片尺寸
2. 镜头的靶面尺寸大于等于相机靶面
3. 镜头的极限分辨率需大于或等于相机的极限分辨率
4. 为了充分利用相机的像元，应当选择镜头尺寸大于或等于相机成像面的尺寸。

(二) 性能方面

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镜头光圈

镜头的光圈大小决定图像的亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应该选用大光圈镜头，以提高图像亮度。

远心镜头

远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。远心镜头与传统镜头对比，如图：　　
　[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3y1J9qg7-1606032182211)(c++笔记/图像/2010830165418665.jpg)]

视场大小

1. 如果镜头的靶面尺寸小于相机的靶面尺寸，那么各工作距离的视场范围只与镜头有关，与用什么相机无关,
2. 如果镜头的靶面尺寸大于相机的靶面尺寸，那么各工作距离的视场范围只与相机有关，相机的靶面尺寸变了，视场大小就变。
3. 加接圈（相当于增加f）可以缩小镜头的工作距离，但是会缩小视野。

2.2.3 镜头产品规格分析

工业摄像机镜头产品型号：FL-CC1614 -2M

品 牌：宾得（pentax)

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FL-CC1614 -2M　产品规格

画面尺寸	2/3型
焦距	16 mm
最大口径比	1：1.4
光圈范围	1.4 ~ 16
安装方式	C
水平视角	1/4“型	12.9°
	1/3“型	17.1°
	1/2“型
	2/3“型	31.0°
最小物距	0.25 m
背景焦点	14.61 mm
滤镜尺寸	27 P=0.5 mm
外形尺寸	φ29.5×33.2 mm
重量	63 g

其参数代表的意义是：

1. 画面尺寸

   2/3型，指的是其能够提供的最大感光面尺寸是2/3英寸。

2. 焦距

   f=16mm，表示其是定焦镜头，不可变焦。

3. 最大口径比

   口径，由于F=f/通光孔径(口径)，所以口径=f/F，一般会标出F。如：

   50mm F0.95

   则口径=50mm/0.95=52.6mm

4. 光圈范围

   F=1.4表示其最大光圈是1.4，范围是1.4·–16**

5. 安装方式

   反映接口类型，应与相机对应。

6. 水平视角

   不同靶面尺寸对应不同视场角大小。

7. 最小物距

   最小WD场距？

8. 背景焦点

9. 滤镜尺寸

CCD尺寸是怎样规定的？ CCD（包括CMOS感光元件）的面积是按其矩形对角线英寸长度为指标的。这和定义电视屏幕尺寸类似。 一英寸是25.4毫米。1/2.7英寸、1/2.5、1/1.8都是指CCD对角线有多少分之一英寸长，分母小的其分数值就大，相应感光元件面积也大。 1/2.7英寸、1/2.5英寸、1/1.8英寸之间的差别到底有多大? 通过以下的分析和面积的具体计算，就一目了然。 因为通常CCD面积是矩形(个别有3:2)，1/2.7英寸、1/2.5与1/1.8的具体面积可以由对角线长度来推出。根据“直角三角形斜边的平方=两直角边的平方和”的定理， 把斜边的平方除以矩形两边比值数各自平方的和，得出一个系数，再用这个系数分别乘矩形两边比值数的平方，分别得出两直角边的平方，再开方后得出矩形的两个边长数值，最后将其相乘就是所求矩形的面积。 例如：CCD对角线长为1/2.5英寸，矩形长宽比是4:3，计算过程如下： 25.4毫米/2.5=10.16毫米 ……………………………………………（对角线长） 10.16毫米×10.16毫米/（4×4+3×3）=4.129024平方毫米…………（系数） 4.129024平方毫米×（4×4）=66.064384平方毫米，将其开方，√66.064384平方毫米=8.128毫米…………………………………………………………（长边值） 4.129024平方毫米×（3×3）=37.161216平方毫米，将其开方，√37.161216平方毫米=6.096毫米 …………………………………………………………（短边值） 长边值8.128毫米×短边值6.096毫米=实际面积49.55平方毫米。 同样方法计算出来的1/2.7英寸、1/1.8英寸CCD的面积分别是42.48平方毫米和95.53 平方毫米 可见： 1/1.8英寸CCD 面积95.53平方毫米 是1/2.5英寸CCD面积1.93倍 1/2.5英寸CCD 面积49.55平方毫米 是1/2.7英寸CCD面积1.17倍 1/2.7英寸CCD 面积42.48平方毫米 只有1/1.8英寸CCD面积的44% CCD面积越大，能容纳感光元件越多，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低，表现在成像效果上越好，也就是图像细腻、层次丰富、色彩还原真实、相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，可以更加胜任弱光条件下的感光、支持数码图像稳定器对像素资源的占用，另外还可提供对拍摄更大照片尺寸和更高照片精度的选择。 如面积不变，单纯增加像素，单个像素的感光面积肯定要缩小，不但热稳定性会变差，且有曝光不足的可能。如果既要增加像素又想保证持图像质量，就必须在维持单个像素面积不缩水的前提下增大CCD的总面积。而大尺寸CCD加工制造技术要求高，成本也非常高。在选择和评价CCD尺寸时，1/1.8英寸要比1/2.5英寸好得多，更优于1/2.7英寸。

下面是家用小DC图像传感器尺寸换算为公制的大小（单位为毫米）:
*2/3英寸的画幅面积为(8.8×6.6mm)*
*1/1.8英寸的画幅面积为(7.178×5.319mm)*
*1/2英寸的画幅面积为(6.4×4.8mm)*
*1/2.7英寸的画幅面积为(5.27×3.96mm)*
*1/3英寸的画幅面积为(4.8×3.6mm)*
*1/3.2英寸的画幅面积为(4.536×3.416mm)*
*1/3.6英寸的画幅面积为(4×3mm)*
*1/4英寸的画幅面积为(3.2×2.4mm)*
*1/5英寸的画幅面积为(2.55×1.91mm)*
*1/6英寸的画幅面积为(2.15×1.61mm)*

*也就是说 1/2.3英寸 面积是最小的。决定数码相机的成像质量有几大件，包括镜头，图像处理器还有就是感光元件，这感光元件是越大越好，当然是越大越贵，这好比你买房子面积越大付出的金钱也就要越多。 这 1/2.3 英寸实际上有多大呢？ 咱不说那个运算公式了，直接给答案：约为 23 平方毫米， 非常小，可能跟手机上的按键大小差不多吧，即使是家用数码相机中通常配置感光元件最大的 2/3 英寸**也只有 54 平方毫米，但也比 1/2.3 英寸大了不止一倍。 就是大这么一丁点儿的相机卖的一点儿也不便**宜，有的要比入门数码单反还贵。 配置1/2.3 英寸的数码相机通常都是低端的或者说虽然不是低端的但多数是长焦相机（光学变焦10倍以上），采用 1/2.3 英寸的好处是相机的体积可以做的很小, 像卡片机***之类的都是采用这类感光元件,而采用大一点感光元件的相机体积都要做的大些,当然成像质也会好些。例如1英寸的看见相机是五千多，而2/3英寸的相机是两千多。

3. F=1.4表示其最大光圈是1.4，范围是1.4·–16

4、CS、C接口工业镜头与M12镜头的关系知识：

其中网上售卖的CS、C接口的工业镜头默认都是IR镜头(即全透镜头)，表示其就是一块玻璃组成的，可以透过任何的光。而M12镜头就会在全透镜头后面加上了一个IR滤光片，导致其不是全透的。那CS、C接口的滤光片放置在哪里呢，是不是没有安装？答案是有安装，其安装的位置时相机机体上，而不是镜头上，其实镜头都是普通的全透镜头。如果不使用滤光片则会导致其成像不清晰，而且出现严重的偏色。

三.选型实例

实例1

实例2

CCD专业名词及型号选择

1.首先，要确定工业相机的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3" 工业相机，C接口，500万像素；那么我们可以先确定需要的工业镜头是C接口，最少支持2/3", 500万像素以上。

2.计算镜头焦距

其次，确定所要达到的视野范围(FOV)和工作距离(WD)，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距(f)。其计算公式为：

焦距f ＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) /视野范围 FOV( H or V)

视野范围FOV ( H or V)＝工作距离(WD) × 靶面尺寸( H or V) / 焦距f

视野范围FOV( H or V)＝ 靶面尺寸( H or V) / 光学倍率

**工作距离WD = f(焦距）× 靶面尺寸/*视野范围*FOV( H or V)

**光学倍率 ＝ 靶面尺寸( H or V) /*视野范围*FOV( H or V)

（H代表CCD靶面水平宽度，V代表CCD*靶面垂直高度*）

打比方视野是100*100mm, WD是500mm,先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下,市场上工业镜头焦距一般是12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 35mm, 50mm, 75mm。再结合相机靶面的大小来确定是哪个型号，工业镜头的焦距越小，视场角就越大，视野也就相应的更大。

如果靶面为2/3" 可以选择35mm焦距的工业镜头；靶面1/2" 则需要25mm焦距的工业镜头，或者更小，以此类推。

例如：CCD2/3″（长8.8mm×6.6mm），视场范围（长64mm×48mm）

光学放大倍率=8.8/64=6.6/48=0.1375

3.匹配极限分辨率，而不能机械的套用百万像素分辨率相机对应百万像素镜头，200万像素分辨率相机对应200万像素镜头之类。

镜头的选型实例(已定相机选择镜头)

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要求精度为0.02mm，则应该选用多大分辨率相机？

计算方法：

(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304=120万像素。最低不少于120万像素。

已知客户要求的系统分辨率为0.06mm,像元（相机像素尺寸）大小为4.7um，工作距离大于100mm，光源采用白色LED灯，那么需要多少焦距的镜头？

计算方法：

1）客户如果没有变焦要求，选择定焦镜头就可以

2）如果带有测量功能的尽量用畸变小的镜头或者远心镜头

3）焦距计算

成像放大倍率M=4.7/(0.06*1000)

f=L*M/(M+1)

（注意：镜头的成像像面要大于等于CCD尺寸，镜头的接口和相机配合）

工业相机传感器尺寸大小

F=2.8mm镜头，拍摄距离为1~4米，拍摄角度为115°

F=3.6mm拍摄距离为2~6米拍摄角度93°

F=6mm 拍摄距离为3~15米 拍摄角度为53°

F=8mm 拍摄距离为4~20米 拍摄角度为40°

F=12mm拍摄距离为5~25米 拍摄角度为25°

F=16mm拍摄距离为5~30米 拍摄角度为20°

F=25mm拍摄距离为20~80米拍摄角度为15°

计算工业镜头视场范围

视场的大小=(CCD格式大小)/(光学放大倍率)

例如:光学放大倍率＝0.8X，CCD1/2〃(长4.8mm×宽6.4mm)视场大小:

长＝4.8/0.8＝6(mm), 宽＝6.4/0.8＝8(mm)。

镜头计算公式，Y=ftanθ y:像的大小 f:焦距 θ:半画角，θ=2tan-1y/2f，例:1/2寸摄像机配12.5mm镜头时画面横向的视场面是:θ=2tan-16.4/212.5=28.72。

实例3

四.CSDN经验

双目相机工作原理主要有TOF、RGB双目、结构光等，优劣性分析
近期选型测试了几款相对主流的双目相机，主要参数是根据现有项目需求定的，其他参数如IMU、RGB单目、具体分辨率等，没有都写上去，分享出来供参考：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xBgpXiIX-1606032182214)(c++笔记/图像/2020051414085937.png)]

1、相机接口及电脑带宽

研究双目视觉我们首先要有两个摄像头，而我做为学生用的是笔记本，将来实验也偏向室外，笔记本方便一点，所以当老师让我做时，我果断就编程采集图像，出现了问题也是自己程序的问题，相机没有问题，花了很长时间解决不了才发现是相机的问题。开始用的是维视的千兆网相机和1394相机，网口的笔记本不能用，因为要两个网口，也曾经买过千兆的USB转网口，发现传输速度太慢，图像根本反应不出来。1394的应该能用吧，因为我用的是联想笔记本，上面是有1394接口的，可紧接着问题也出现了，编的程序无法同时打开两个相机，一开始我总以为是我程序的原因或者是SDK的运用不对，还和厂家联系了好久，结果发现在台式机上运行是没有问题的，后来才知道有一个带宽问题，两个相机最好不要用同一个控制器，要共享带宽也要有足够的带宽才行。这就是相机接口问题，当然你要是台式机就没有问题了。

2、相机工作环境

由于前两个相机都不能用，最后只能选用那种网上30万像素的小摄像头，几十块钱，买了两个装了起来用，接口是USB的，也没有带宽问题，用起来比较好用，但是这种相机不是工业相机，不能到室外，只要一伸出窗户，图片就会变成白色，阴天也一样，看来只能有在室内了。所以此时我们要考虑的是工作环境是什么样的，要不要在阳光下运行。

3、镜头焦距

另外镜头焦距也是一个重要的问题，虽然实际中焦距越大越好，但也要看我们要拍的是什么东西，是近距离的还是远的，比如我要拍50cm—150cm的，很近，大焦距是不行的，而且是越小越好，上面那个小摄像头是3.6mm的。原因你看下双目视觉模型可以看得到，所以这是我要考虑的问题，你的呢？

4、像素及分辨率

这个问题中我们要看分辨率越大处理起来就越慢，标定速度也会慢吧，所以我们要看什么样的大小的图像就可以了。比如30万像素就可以产生640480的图像了，500万像素可以产生25921944大小的图像，你看你需要这么大的吗？在选择的时候最好是选择分辨率可调的相机，这么我们用500万像素的相机也可以程序控制产生320*240的图像，这样在调试的过程中会有很大的灵活性，我们可以随机选择我们要的分辨率。当然大图像处理的时候我们也可以截取图像的中间一部分进行处理。

5、后期开发、系统支持

在后期开发中要用到嵌入式吗，这时我们考虑到系统的支持Windows或LInux等等。这时候我们也要考虑是用数字相机还是用模拟相机，因为很多数字相机Linux驱动是大问题，即使一些免驱相机也是这样。