史上最全面实用的工业相机选型，相机速率计算，相机靶面，相机接口，图像格式等参数详解与分析

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前言

本文，从工业相机的关键参数，相机镜头的关键参数，相机的速率选择，应用场景的速度分析，相机的接口选择，相机等数据传输格式等多方面综合介绍和实际分析出发，来为入门工程师，中级工程师，或者需要单独考虑某方面的配置程序员等，提供一个概括讲解或分析。

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一、相机关键参数

对于工业相机，我们常用的是CMOS相机，因为其帧率高，速度快，功耗低。

我们非常关注相机的参数是：sensor靶面尺寸，像元大小，分辨率和帧率。

靶面尺寸：常用英寸表示。1’’ = 16mm，表示对角线长度。如果不能整除的话，用向上取整来代替。

像元大小：指的是一个感光单元，也即一个像素的大小。例如：2.2um，6.9um。

分辨率：指的是整个sensor的水平和垂直感光大小。例如：720*540，也表示像素大小。分辨率由像元数确定。

位深：8bit，10bit，等等。

接口类型：USB3.0（5Gbps，625MB/s，5米），GigE（1Gbps，125MB/s，100米），Camera Link（6.4Gbps， 800MB/s，15米），CoaXPress（6.25Gbps，50米；1.25Gbps，170m）。

靶面尺寸	对角线长度（与靶面尺寸有关）	像元大小	分辨率
1’’	<== 16mm	2.2um	720*540
2/3’’	<== 11mm	2.9um	1920*1080
1/2’’	<== 8mm	6.9um	2592*1944
1/3’’	<== 6mm	…so many	…so many
1/4’’	<== 4mm

靶面尺寸的大小，只是一个大概的标识，实际上的sensor的大小，需要实际计算。

例如：一个靶面尺寸为1/2.5’‘的CMOS相机，其像元尺寸为2.2um，分辨率为2592*1944。计算相机的sensor尺寸：
horizontal = 2.2 * 2592≈5.7mm，vertical= 2.2 * 1944 ≈ 4.28mm，利用勾股定理计算对角线长度=sqrt(h^2 + v^2) ≈7.13mm. So, 但是根据标称的靶面尺寸：1/2.5’’ = 16mm/2.5 =6.4mm。所以，实际的sensor大小需要再次计算（real size ≠ 相机标称靶面）。但是用1/2.5’'已经能够表示出其相对大小了。

分辨率为2592 * 1944，指示了相机sensor有2592 * 1944个像元。

二、镜头关键参数

镜头的参数，主要包括三方面，焦距，光圈，靶面尺寸。

焦距的选择主要与实际要拍摄物体的距离远近有关。

光圈表示：最大的光圈大小，主要通过这个参数判断最大进光量是否满足需求。

镜头光学靶面尺寸：镜头光线聚集后，形成的靶面大小。与CMOS的尺寸标识一致，也有2/3’‘英寸，1/2’'英寸。

三、相机与镜头选型

相机与镜头，需要配合选型。光学镜头的靶面尺寸≥相机靶面尺寸。需要确定最小分辨率，焦距，一个像元大小是否满足最小测量或者噪声的表示量。通常做法是，为了增大最小测量单元/最小检出瑕疵，需将最小分辨率*4倍，此条件下，再去选配置。确定要达到的视野范围（FOV）和working distance，然后计算焦距f。

比如，相机的靶面尺寸是1/2’’，此时，需要的镜头靶面尺寸是1/2’’, 2/3’’, 1’'都是可以的。

计算公式为：焦距f/相机靶面尺寸sensor_size = 工作距离WD/视野范围FOV ====>>> f/sensor_H = WD/FOV_H, f/sensor_V = WD/FOV_V。

四、图像格式详解

图像格式，指的是从相机端传输出来的图像数据格式。常用的有：
黑白图像Mono: Mono8/ 10/ 10Packed;
彩色图像Color: BayerRG8/ 10/ 10Packed; BayerGB8/ 10/ 10Packed.

1. Mono8，表示单个像素，用8bit表示，因此，一个像素用1Byte来存储；将Mono8格式的图像的传输速率设置为一个单位，作为不同图像格式下的传输速率参考，标准速率：1。
   

2. Mono10，表示一个像素用10bit表示，此时，存储一个像素，需要2个Byte，其中，浪费6个bit。标准速率：0.5。
   

3. Mono10Packed，表示封装拼接，此时，用3个Byte，24bit，来组合存储2个10bit的像素。标准速率：2/3。
   

4. 彩色：BayerRG8与Mono8的数据封装格式一样，但是是第一行按照RG RG的格式来排列的，第二行按照GB GB的顺序来排列。标准速率：1。

5. 彩色：BayerGR10Packed，在这里，我们重点描述这种彩色图像排列格式。与Mono10Packed格式类似，用3个Byte的长度来组装2个像素大小。像素的组合格式按照先G R GR排列第一行，然后第二行，按照BGBG的格式来排列。第1、2Byte存储G的10bit数据，第2、3Byte存储R的10bit数据。第三行第四行依此类推。标准速率：2/3。
   

五、接口类型分析

1. USB3.0: 5Gbps，625MB/s，有效工作距离5米，有时候帧率如果达不到，或者性能无法满足，大概率是功率不够，此时需要单独供电。
2. GigE：1Gbps，125MB/s，有效工作距离100米，注意，如果采集的相机和主机之间距离较长，需要单独供电。
3. Camera Link：6.4Gbps， 800MB/s，有效工作距离15米。
4. CoaXPress1.0：6.25Gbps，50米；1.25Gbps，170m；第二代CoaXPress2.0：12.5Gbps。传输速率高，传输距离长。

在项目和实验中，对于低中速，常规的工业场景，我们常用USB3.0，GigE接口的相机，其传输速率基本上能满足常规需求。所能带动的帧率也在30FPS-500FPS不等。而在超高速领域，例如，子弹发射，爆炸瞬间，这一类瞬时运动快；或细胞微粒流动等微纳尺度下的目标运动场景，我们一般采用高速相机来进行图像的捕捉采集和分析。由于需要达到超高速采集1000FPS，2000FPS，10000FPS，需要Camera Link或者CoaXPress来连接高速相机和主机。

1Gbps = 1000Mbps； 8bit=1Byte，所以，1000Mbps/8 = 125MBps = 125MB/s。 USB3.0： 5GBPS ==> 625MB/s。



关于CoaXPress，还要注意一下几点：它是同轴电缆的接口，需要安装额外的采集卡。深层原因是，大数据量的传输和处理比较耗CPU，而单独使用采集卡，可以减轻CPU的负载，且采集卡能够高效处理大吞吐量数据。将采集卡连接到PCIe。

六、其他补充说明

在很多资料或文献说法中，经常提到曝光Exposure，快门Shutter等名词，有时候也用积分时间来描述，积分时间：电信号脉冲的宽度，来控制传感器的光积分（曝光）时间。所以，曝光也叫积分，曝光时间越长，元件积分时间越久，成像的图像亮度也越亮。

七、参考资料

1. 什么是CoaXPress?
2. 镜头选型工具
3. 相机/视觉/接口/采集卡部件分析
4. 相机帧率计算
5. GigE千兆网分析
6. 各种工业相机介绍

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