工业相机快速入门
工业相机快速入门
作者：Mr_Kinging_
原创文章，转载请注明出处
- 工业相机简介
- 什么是工业相机
工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。（此段摘抄于百度百科）
机器视觉，其实就是通过相机获得图像，并根据客户需求对图像进行处理。结合实际情况简单的来说，通常我们会对图像进行坐标的获取或是对图像进行缺陷的检测。这也就是本公司的主要两大类业务范围：对位和检测。
对位，一般指的是对目标进行定位和计算，并将计算出来的数值返回给设备使设备按照我们所给出的数值进行移动等一系列操作。
检测，顾名思义是对目标进行相关的检测，可以是检测是否存在缺陷、尺寸是否合格、外形是否达标等等相关的各种检测。
回到正题，对于百度词条结合我个人的认识：工业相机对于我们而言，就是一个帮助我们获取图像的工具，可以理解为和一般普通相机一样。不过相较于普通相机，在本作者的感受中，工业相机最为直观的特点是耐用，工业相机一般可以稳定工作持续数年。这里顺便一提，工业相机是需要外接电源使用的，在生产现场甚至会7*24h持续不间断的工作。
一般我们所使用到的工业相机品牌一般有：海康威视，DALSA,大恒等。
图 1（1）工业相机示意图（海康威视面阵相机）
图 1（2）工业相机示意图（海康威视线扫相机）
- 工业相机的分类
任何东西分类一定有它自己的分类标准，工业相机也不例外。按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机；按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机；按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；按照输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。（此段摘抄于百度百科）
从百度百科词条我们可以看到，根据不同的特性，工业相机也分为很多种类。但在本作者的使用和理解中，工业相机我们可以简单的分为面阵相机和线扫相机。一般而言，面阵相机一般用于对位项目，线扫相机一般用于检测项目。这里需要提一下，并非一定某类相机只适用于某些项目：合适的面阵相机同样也可以用于检测项目（此处是基于本作者的见识，目前本作者的暂未见过线扫相机用于对位，不过本作者认为在某些特定情况下线扫相机也可完成对位项目。但单纯从成本考虑，属于是可以但没必要，故这里不必纠结）。以下将对面阵相机和线扫相机做一个简单的介绍。
面阵相机：
面阵相机是一种可以一次性的获取图像并能及时进行图像采集的相机。应用范围比较广，例如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等测量，这种相机可以快速准确的获取二维图像信息，而且具有非常直观的测量图像。面阵相机：面阵相机可以方便的读取更多的信息，包括测量面积，形状，尺寸，位置，甚至温度。（此段摘抄于搜狐新西旺发布词条）
对以上摘抄的有关面阵相机的词条，作者认为本阶段我们只需要关注“面阵相机是一种可以一次性的获取图像并能及时进行图像采集的相机”，其中提到一次性和及时性，作者认为是面阵相机最为直观的特点。关于一次性，我们可以简单但并不完全正确的理解为，拍一次就可以直接获得整张图像，就和平常所使用的手机和相机拍照一样；而及时性，同样也可以简单但可能并不完全正确的理解为，面阵相机的拍照速度很快（在作者的见识中，由于拍照方式的区别，一般面阵相机的采图速度确实比线扫相机快很多，后面介绍线扫相机后就能明白这点，此处不必纠结）。
另外值得一提的是，我们需要注意，面阵相机根据输出色彩可分为黑白相机和彩色相机，也就是拍出来的图像是黑白色和彩色的区别，这个特点在不同的场景根据需求需要选择；而根据拍摄的方式又可分为卷帘相机和全局相机，这里不对卷帘相机和全局相机做出原理上的描述，只需要记住：拍静止的目标卷帘相机和全局相机都可以，但拍移动中的目标需要使用全局相机。更直观的体验这点，静止的目标卷帘相机和全局相机都可以获得清晰的图像，但运动的目标，卷帘相机拍出来的图像会有移动的残影，类似于手机拍运动的人拍糊了，全局相机拍出来的图像就更精准清晰。从名字上我们也可以简单但并不完全正确地理解为，卷帘相机就像一扇卷帘门慢慢打开一样对物体进行拍摄，全局相机就像一扇开门瞬间对整个区域进行采图（作者认为这样能方便入门便于理解，如果不理解也没关系，只需要记住本段划线部分即可）。
图 2（1）海康威视某型号面阵相机（正面）
图 2（2）海康威视某型号面阵相机（背面）
线扫相机：
线阵相机是采用线阵图像传感器的相机。呈现出线状，虽然也是二维图像，但是很长，长度可以达到几K，但是宽度就只有几个像素，通常只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。特殊的工业相机，只有一行感光元素，因此可以用高速扫描和高分辨率，应用于连续检测的领域，比如金属，塑料，纸和纤维等，被测物体匀速运动，可以对图片一行一行处理，或者组成多张进行处理。（此段摘抄于搜狐新西旺发布词条）
对于以上摘抄的有关线扫相机的词条，作者认为本阶段我们只需要关注“呈现出线状，虽然也是二维图像，但是很长，长度可以达到几K，但是宽度就只有几个像素”，其中提到呈现出线状的二维图像，这其实就是线扫相机的特点。这点我们与面阵做比较就很好理解，以500W像素面阵相机为例（分辨率为2448*2048）一次拍出来的图像大小为长2448个像素，宽2048个像素如图3（1）所示。
图 3（1）示意图
那这里我们又可以简单但并不完全正确的理解线扫相机（以8K为例）其实就是拍一行出来的图像大小为长8192个像素，宽1个像素的一张很长很长的图像，也就是一条线。
那么这里从未接触的人可能就会产生一个疑问，一次拍这么短的图像怎么拍出一张完整的图呢？其实这里就是我们前面所提到的面阵相机为什么比线扫相机采集图像更快，线扫相机拍摄图像每次拍摄一行，所以需要目标移动。以下叙述可能不太好理解，可结合示意图更好地理解。
假设我们需要拍摄一张A4纸，那我们需要将这张A4纸放在位置固定的线扫相机的视野（相机能够拍到的区域）下的平台上，当A4纸朝开始向垂直于线扫相机扫描方向移动时，线扫相机开始拍照并按照一定频率一直扫描平台上的同一个位置一行区域直到A4纸完全移动经过平台上线扫相机固定扫描的那一行的位置，这样就能够实现拍出一张完整的A4纸。
看到这里，顺带一提一个小细节，目标的移动速度和线扫相机的扫面频率会影响图像的还原度。通俗来讲，目标的移动速度和线扫相机的扫面频率不匹配将会导致采集出来的图像呈现压缩或者拉伸的状态。这点同样也很好理解。
假设线扫相机的扫描频率固定不变（假设每秒扫描一行一次），A4纸每秒移动两行的距离，那么拍出来的图像就会被压缩；
假设线扫相机的扫描频率固定不变（假设每秒扫描一行一次），A4纸每秒移动零点五行的距离，那么拍出来的图像就会被拉伸；
发挥想象我们就可以很好理解这种现象，反之我们也可以想象得到：保持目标固定的移动速度，如果线扫相机扫面频率过高，会导致图像被拉伸；如果先扫相机扫描频率过低，会导致图像被压缩。
或许看到这里还是很难理解，不过没关系，当真正实操的时候，遇到图像被拉伸或是压缩的情况时，至少我们可以尝试一下调整行频（线扫相机扫描频率）或目标的移动速度看看是否是因为行频和目标移动速度不匹配导致的。
图 6（1）海康威视某型号线扫相机（正面）
图 6（2）海康威视某型号线扫相机（背面）
面阵相机和线扫相机对比：
前面我们将工业相机以面阵相机和线扫相机分类做了一些简单的介绍，对工业相机有了一定的了解。在此，我们对工业相机做个简单的对比，但不做深入的复杂的叙述，重点让读者理解两类相机在我们实际操作调试方面的不同。
根据以上信息，我们了解到面阵相机和线扫相机的采图方式。这里就关乎到了项目中我们调试相机的难易程度。
由于面阵相机可以一次性及时性地采集图像，所以在实际的调试中，调整好光源的光照区域和相机的曝光时间参数（Exposure或Exp，单位一般为μm微秒，曝光时间越长图像越亮），我们可以在调整相机的位置以及光圈和焦距的时候同时观察图像，并实时地根据图像对相机调整以达到预期图像效果。
而线扫相机一般实际的调试流程中需要先将光源调整到与线扫相机扫描区域（一条线）相平行并覆盖扫描区域，此时需调整曝光等参数直到出现图像后才能继续调整相机的工作位置，并且在调整相机的位置时可能还需不断观察图像，调整角度以保证光能够进入相机。
综上所述，在调试方面线扫相机相对于面阵相机存在一定的难度且相对麻烦。
- 工业镜头
- 什么是工业镜头
镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。（此段摘抄于百度百科）
要获得完美的成像效果，仅仅只有工业工业相机是不够的，还需要工业镜头的配合。与普通相机镜头相比，其作用基本一致。这里不在对镜头进行赘述。
- 工业镜头分类
按照实际用途可分为FA镜头、远心镜头、M12镜头，这里以两种常用的镜头为例做简单的入门级讲解：FA镜头、远心镜头。
FA镜头：
FA镜头按照焦距类型可分为定焦镜头、变焦镜头、鱼眼镜头和微距镜头：
①定焦镜头特指只有一个固定焦距的镜头，它只有一个焦段，或者说只有一个视野，没有变焦功能。定焦镜头的设计相对变焦镜头而言要简单得多，但一般变焦镜头在变焦过程中对成像会有所影响，而定焦镜头的优点是对焦速度快，成像质量稳定。对于使用定焦镜头的数码相机，它所拍摄的运动物体图像清晰而稳定，对焦非常准确，画面细腻，颗粒感非常轻微，测光也比较准确。
②变焦镜头通过镜头中镜片之间的相互移动，使镜头的焦距在一定范围内变化，从而在无需更换镜头的情况下，使相机既可获得全景图像，又可获得局部细节图像。通过变换焦距，得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同景物范围的相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。
【其实变焦镜头很好用，就是价格太贵…】
③鱼眼镜头是一种视角接近或等于180°的镜头，是一种极端的广角镜头。它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围，因此，鱼眼镜头与人们眼中的真实世界的景象存在很大的差别，我们在实际生活中看见的景物是有规则的固定形态，而通过鱼眼镜头产生的画面效果则超出了这一范畴。其主要用于制作基于现实场景的全景图象。
④微距镜头是一种用作微距摄影的特殊镜头，主要用于拍摄十分细微的物体，力求将目标的细节尽可能详尽的呈现出来。其主要用于平面物体（文件、照片、绘画等）的翻拍复制。
此外还有沙姆镜头，其镜头沿着图像的横轴或纵轴倾斜，透视镜头和远心镜头两种形式都有，用于激光三角测量等需要相机倾斜拍摄目标的应用中。（本段摘抄自CSDN 晓dawn）
这里我们关注定焦镜头和变焦镜头。定焦镜头顾名思义就是固定焦距，不可调焦，一般通过改变工作距离（镜头第一工作面（镜头镜片）到目标物体的距离）来进行对焦；变焦镜头就是可以改变焦距对目标进行对焦。一般用于拍摄较大目标。
这里对于镜头上光圈做一个提示：光圈越大景深越小，光圈越小景深越大。
关于景深，就是在一定距离范围内，相机都能清晰拍摄到这段距离范围内的物品。
远心镜头：
远心镜头（Telecentric），主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。远心镜头由于其特有的平行光路设计一直为对镜头畸变要求很高的机器视觉应用场合所青睐。（本段摘抄于百度百科）
远心镜头我需要关注的特点是其几乎无畸变。这里我们提到畸变的概念，通常有桶形畸变和枕形畸变，观察以下示例图就能明白，不做详细讲解（超大视野需做畸变矫正，也就是通过工具将畸变消除）：
而远心镜头几乎畸变，属于定焦镜头，其应用场景一般用于拍摄较小目标。
四、选型
1.理论计算
相机和镜头的选型是本手册所需要关注的重点，同样将以通俗的语言叙述入门级的选型所需了解的信息。
这里首先对相机和镜头所需关注点做一个简单的小结方便读者对应理解：
相机：传感器类型、靶面尺寸、分辨率、最大帧率 、色彩、数据接口、镜头接口；
镜头：相面尺寸、工作距离、接口类型；
结合实际情况，选型的步骤如下 ：
1.确认视野：由于所需拍摄的目标大小不一定，一般需跟据实际拍摄物品确认视野大小，保证最大的产品也能完全处于视野中。
2.例如我们需要拍摄的产品的大小最小为10*8mm，最大为50*40mm，那么我们考虑到产品的最大尺寸及预留一定产品位置可偏移的范围选择稍大视野；
3.确认像素精度：根据项目需求确认检测或者对位的精度，那么我们选型像素精度一般需高于需求精度。例如某项目要求精度为1mm/pixel（毫米/像素）,那么我们选型的像素精度一般在300μm/pixel（微米/像素）左右。
4.根据视野和精度，我们可以计算出我们所需要的相机分辨率：
分辨率=视野/精度
5.根据以上参数的计算基本可以选定出一些满足要求的相机，根据相机的靶面和接口选择合适的镜头。
6.确认工作距离，可根据设备方规定或协商的相机等设备的可安装空间确认。
7.计算焦距：
焦距f ＝ WD（工作距离） × 靶面尺寸( H or V) / FOV( H or V)
- 根据靶面、焦距、接口类型可以选定镜头。此处需注意，选择镜头的像面尺寸需大于或等于相机靶面。
2.实操演示
通过以上理论讲解，可能感觉还很乱，不过不必担心，接下来利用两个小工具进行一个简单的实操演示，加强选型方法的理解。
- 这里提供两个选型工具：
机器视觉选型助手 该链接是一个选型助手，可协助我们更快的计算我们所需要的参数。（收藏至微信方便寻找）
海康机器人-机器视觉产品页 该链接为海康威视官网所提供的镜头选型助手。
- 首先我们根据视野确定我们需要的相机参数，那么这里我们可以进入海康威视的官网根据需要进行筛选：
- 假定我们需要一款500w的相机，那么我们点击分辨率为2448*2048的相机查看该款相机的其他参数（以MV-CA050-10GM为例）：
4.查看该相机参数我们获得了传感器类型，靶面尺寸，镜头接口等一系列信息，接下来我们根据这些信息继续选择镜头。
在镜头选型助手中输入视野及工作距离即可自动计算出其他相关信息：
5.接下来点击镜头选型助手的第三步的选型结果输出，即可获得符合需求的海康旗下产品列表（注意，演示通过直接选定相机的方式，若使用输入相机传感器的尺寸的方式注意检查镜头接口与相机接口是否一致）。
五、相机实操演示
本章节将对相机的使用进行简单的演示讲解，首先我们准备一些基本的物料，（以海康威视彩色相机为例）：
图 14物料示意图
首先我们将电源适配器和电源箱的接线连接起来：
- 观察电源适配器线缆，白色条纹线为负极，无白色条纹线为正极：
图 15电源适配器示意图
2.观察电源线，白色纸带标识，这里只需关注电源接线，Power为电源正极，Power Ground为电源接地或负极：
图 16电源线示意图
- 按照正极接正极，负极接负极连接电源线。然后将相机架设好，接通相机电源线（接电源）和数据传输线（网线，接主机网口），架设好光源（此处随意使用了条纹光，暂不对光源做解释）：
图 17架设相机示意图
- 接下来我们打开海康威视提供采图软件MVS，这里提供下载链接（推荐使用3.3.1版本）：
海康机器人-机器视觉-下载中心
- 下载安装完成后打开MVS；
双击设备列表中带感叹号的设备以配置IP，可使用自动分配IP，也可使用静态IP（需保证和本地网络处于同一网段且不重复，例如本机IP为192.168.1.1，那么相机IP可分配为192.168.1.2~254）。此处为了方便使用：
分配好IP后双击设备列表该设备，即可打开相机：
点击采集按钮即可开启采图，调整焦圈，光圈；
恭喜你，已经完成了采图！接下来，我们对采图控制软件相关常用参数进行讲解。
六、MVS相关参数解释
本章节旨在对操作MVS对图像进行一些系列操作做一些简单的解释，关于图像增强，增益类的相关操作最好自己操作感受，不做讲解。
- MVS布局操作，如图20（1）所示，可更改MVS布局，可支持多相机画面显示：
图 20（1） MVS参数解释
- 属性树，如图20（2）所示，我们关注其中的图像翻转及用户数据保存功能，MVS支持水平和垂直反转，MVS 3.3以上版本SDK提供90°，180°，270°翻转。
图 20 （2）MVS参数解释
垂直翻转（如图20（3））：
图 20 （3）MVS参数解释
水平翻转（如图20（4））（注意此选项需在停止采集状态下更改）：
图 20 （4）MVS参数解释
用户数据保存：
在此之前，我们需创建用户数据集（如图20（5））。点击每栏设置（除设备重启），设置完成关闭该小窗口（此处默认选择用户集1）：
图 20 (5) MVS参数示意图
创建用户数据集完成后回到属性树（如图20（6）），选择User Set Selector为用户集1，User Set Default为用户集1，点击Load 和Save两个按钮即可。此操作可保证相机在断电重启后依然执行原定参数。
图 20（6）MVS参数示意图
3.常用属性，这一栏我们一般常用曝光时间，伽马校正，增益（如图20（7））：
图 20（7）MVS参数解释
4.图像处理（如图20（8）），在停止采集模式下更改像素格式可更改图像色彩（本演示相机），Mono8为黑白，YUV 422(YUYV)Packed为彩色图像：
图 20（8）MVS参数解释
5.拍摄存图（如图20（9））点击拍摄后，点击查看即可进入存图路径：
图 20 （9）MVS参数示意图
6.日志查看：在调试过程中，日志是非常重要的资料，以下为MVS日志文件的保存路径：
图 20（10）MVS参数示意图
7.固件版本升级或回退，若相机固件版本需要更改，则在此处对相机固件进行升级或回退：
图 20 （11）MVS参数示意图