机器视觉_工业相机及相关配件选型

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工业相机

一、 概述

凭我的经验，一般能带上工业两字的，和日常版最大的区别就是更稳定、抗干扰能力更强（高温、高压、防尘、防水、防爆、抗电磁干扰等；列举这么多，并不意味着必须带有这些功能，这些功能通常是可定制的），当然还有其他特点，比如接口可扩展、定制性比较强等。

为什么需要这些功能？
因为工业环境比日常环境更复杂，设备可能运行在极端环境下。

那是不是环境简单些，工业级就退化成了民用级了呢？
也未必，工业级设备有一个比较突出的点就是需要长时间稳定运转。同样是电脑，工控机可能得全年无休开着。而民用PC，或许每天都会关机。（至于为何工控机就能长时间稳定运行，与软硬件都有一定关系，涉及方面比较多）。

扯远了，回到工业相机。
有了上面对工业两字的了解后，可以知道工业相机相比于传统民用相机，它具有更高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力（事实上，这句话是百度上的原话）。

在进一步学习工业相机前，来聊聊工业相机的应用场景。

工业相机的使用场景，
如果平时有拍照需求会特意去搜工业相机吗？一般不会，直接去电子产品店里找个单反或者拿手机拍不就行了（也不是说工业相机就比民用的高级、昂贵，人家玩单反的一个镜头几万的也有，工业相机便宜的也就几百千把块，所以它们是两条分支）。

工业相机通常用在机器视觉系统中，是其中关键的一环。本质功能就是将光信号转变成有序的电信号，说人话就是在机器视觉系统中用来拍照（摄像）的（采集图像）（这边的工业相机指机体+镜头，如果细分的话，镜头（透镜平行光入射成像）是成像，机体（内部是感光芯片）是感光并且转化为电信号传输出去）。

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二、 相机参数

分类依据	类1	类2
按芯片类型	CCD相机	CMOS相机
传感器结构特征	线阵相机	面阵相机

1. 传感器芯片

1.1. CCD&CMOS

图像采集和处理的过程，最基本的就是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像中。

感光芯片设计思想：就是分割被描述的区域，用相应的灰度填充。

而CCD和CMOS是两种不同的芯片，它们都能在相机中记录光线变化。

1.2. CCD

CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的简称。

• 它将大量独立的光敏元件排列在一起
• 每个光敏元件称为像素

像素，是图像的基本单位，也是最小的视觉显示单位。

目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。

1.3. CMOS

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体。它的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。于是，CMOS图像传感器被应用于工业图像处理。

1.4. 靶面

靶面，其实从字面意思比较好理解。
光线透过镜头后，成像打在感光芯片（传感器）上。所以感光芯片是个靶子。
从靶面这个参数的单位是"（英寸），可以知道它指的是靶子（感光芯片）的大小（是靶子的对角线长度）。

提示：
与靶面相关的一个参数是像面，像面就是镜头成像的像的大小，单位也是 " （英寸）。
光线穿过镜头成像后打在感光芯片上。
如果像面小于靶面，那么图像周围会出现黑色（黑角、暗角）的情况；
若像面大于靶面，那么像面的多余部分会被浪费。
当然，这并不意味着实际选型时，一定要像面等于靶面，一般来讲像面大于等于靶面都可以。

1.5. 传感器芯片选型

虽然从原理来讲CCD和CMOS是不一样的，且需要较专业的知识才能去深度认识。
但对于工业相机选型来说，并不需要做太多区分。
因为它们两者要做的事情是一样的。
就现在来讲（2022年），国内市面上比较多见的是CMOS相机，其特点是帧率高、速度快、功耗低，成本相对较低。

靶面的话，是芯片尺寸，其实你也不需要太多关心。
反而是分辨率这种直观的参数，你是需要去了解的。分辨率的长宽直接反映了图像的比例以及清晰度。

所以选型时在相机传感器芯片这块，一般不需要去深度了解，实际选型的不太会去关心，你的相机是CCD的还是CMOS的，能达到效果即可（事实上，我和几家供应商交流时也没有说到这个参数）。

2. 黑白or彩色

同样分辨率的相机，黑白的精度往往比彩色高，尤其是在看图像边缘时，黑白效果更好。做图像处理，黑白工业相机得到的是灰度信息，可直接处理。

一般相机厂商的型号中，M是黑白（Mono），C是彩色（Color）。

3. 帧数

当被测物体有速度要求时，就需要选择帧数高的工业相机，一般分辨率越高，帧数就越低；

⭐4. 接口类型

类型	传输速率	有效工作距离	其他
USB 3.0	5Gbps 625MB/s	5m
GigE（千兆网）	1Gbps 125MB/s	100m
Camera Link	6.4Gbps 800MB/s	15m
CoaXPress1.0	6.25Gbps	50m
CoaXPress2.0	12.5Gbps

在项目和实验中，对于低中速，常规的工业场景，常使用USB3.0、GigE接口的相机。所能带动的帧率在30FPS-500FPS不等。

而在超高速领域，如：子弹发射、爆炸瞬间；或细胞微粒流动等微米纳米尺度下的运动场景，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CoaXPress来连接高速相机和主机。

4.1. POE供电

POE，(Power Over Ethernet)，指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。

现在大部分相机都支持POE供电（网口供电）。
如果您不知道自己是否需要POE，我还是建议选择带POE的。
因为工业场景繁杂，未必有插座给你插电源。而且工业相机有时候是装工厂天花板上的，那种场景要给它单独供电很麻烦，线得拉很长。

POE供电所需要的线是超5类、6类线，并且连接的网口是要支持POE供电的。
一般的台式机、笔记本是不支持的，但工控机的网口一般都支持（保险起见还是向供应商说清楚支持POE供电）。

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三、相关硬件

⭐1. 镜头

镜头选型是在相机选型之后，往往只需要告诉镜头供应商物距&视野&相机参数，他们就能为你选出合适型号。

1.1. 焦距

焦距是镜头上一个重要的参数，以“mm”为单位。
焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。

指平行光入射时从透镜光心（上图中的光学中心）到光聚集之焦点的距离。
很显然，具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳的聚光能力（焦距短，说明平行光通过透镜能更好地聚集起来）。
照相机中 焦距f＜像距2f才能成像。

⭐1.2. 视野

这是一个很重要的参数，指的是您想要拍摄的区域范围（放在镜头标题下可能不是很合适）。
即使您对硬件的参数一点都不了解，也必须知道想要拍摄的目标区域，联系供应商咨询工业相机时，销售肯定会问你的。通常只需要告诉他们，区域大概多大就行了，比如区域是3m*1m的大小（由于应用场景的问题，单位通常会是mm，3000mm*1000mm）。

⭐1.3. 物距

物距，顾名思义，就是要拍摄的目标物体与镜头之间的距离（在物理学中，物距就是指物体到透镜光心的距离，这边可以看作与镜头间距离）。

这个参数和视野差不多，没有太多专业性，但是需要您根据实际情况而定。

1.4. 景深

我们拍摄物体时，需要对/调焦，当您看到的图像是清晰时，便认为是对上焦了。
理论上来说，真正能合焦的只有一个平面；但实际上，在对上焦后，前后稍微转动调焦环，看到的图像都还是清晰的（这是因为各种误差，包括人眼识别度的问题导致的）。而这一段清晰的距离就是景深。

⭐1.5. 调焦

调焦或叫对焦、聚焦—指改变像距v，也就是改变镜头光心到底片平面的距离，以获得本物体清晰像的调节过程。

我们知道透镜成像的原理，像在屏上（相机的底片或者感光元件）总有一个最清晰的位置，这是光线汇聚的位置，无数个点构成了一个平面，这里就叫做焦平面。调焦也就是改变焦点的前后位置（改变焦点的位置不代表改变焦距，只是移动了镜片，让焦点位置发生移动）。

为什么需要调焦？
在一次调焦后，让物体清晰成像不就代表像正确地落在了感光芯片上吗？
因为您几次拍摄的物体远近不同，角度不同，物距是在变化的；您拍一米距离的物体调清晰了不代表五米十米的也会清晰。

但工业场景下，如果你拍摄的物距基本固定，那通常调一次就好了。

1.6. 镜头的一些理论小知识

只是选型的话，注意物距&视野这两个参数就可以了。
感兴趣的小伙伴可以继续往下看，有了上面三个参数之后，再结合高斯成像公式和下表的初中物理知识，

$高斯成像公式：$
$$1/u+1/v=1/f$$

工业相机实际使用，物距u 肯定是远远大于 焦距f 的，u > 2f 会生成倒立缩小的像，这就是透镜成像应用在相机中的原理。

正如前面所说，倒立缩小的像会打在感光芯片上，光信号转化为电信号，通过工业相机的输出端口输出到外部系统。而您得到的图像精度，与感光芯片上的元件有关，感光芯片的颗粒越小，往往越精细。

再如前面所说，
若像面 等于 靶面，则通过透镜成像的大小正好完完全全打在整个感光芯片上，那有效利用整个芯片，非常好；如果像面大于靶面，最终得到的图像只是像面的一部分，就像图片裁剪了一样；反之，图像会出现暗角。

工业镜头选型中，焦距往往是固定的（定焦）。

不过最终选型时，您只需要确定物距。供应商会根据情况为您选镜头。

2. 光源

光源就是发光的物体，比如灯泡。
工业相机的配件中往往有它。
因为工业场景可能光线不好，这时就需要配光源。
光源的选择因实际情况而定，如果现场光线不好，最好配光源，增强成像效果；
如果光线不错，不配也没事。
还有的情况，为了突出目标物体，需要打特殊的光。

3. 控制器

控制器其实就是一台PC，只是它专用于去控制视觉硬件（相机、光源）且一般会进行一定的图像处理。

可以说它是视觉子系统，会接一定数量的相机。然后将相机的图像做一定处理后，输出到外部系统汇总起来。它几乎不做图像处理之外的事。

但控制器不是必须的，您完全可以将相机的图像直接输出到您的PC上，然后做您的处理。

4. 工控机

工控机的选型上注意几点：

1. 性能：是否能满足处理需求，比如我要接100个相机，就用一台机器，那一般是拖不过来的（事实上，在网络传输这块就很容易出问题）。
2. 接口：工控机上往往运行着汇总的上位机，那要接的设备非常多，接口上一定得够且有一定预留。
3. 存储空间：看与服务器分体还是一体。

5. 线缆

涉及的线缆无非是电源线和网线。
如果是POE供电，电源线就不需要了。

6. 交换机

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四、参考

• 工业相机原理及选型指导