摄像机和镜头的基础知识
1. 相机基础知识
按感光器件类型可分为2大类,CCD器件和CMOS器件
| CCD | CMOS | |
| 设计 | 单一感光器,集中统一放大 | 每个感光器连接放大器 |
| 灵敏度 | 同样面积下,感光开口小 | 灵敏度底 |
| 成本 | 线路品质影响程度高,成本高 | CMOS整合集成,成本低 |
| 解析度 | 连接复杂度低,解析度高 | 新技术解析度高 |
| 噪点比 | 单一放大,噪声低 | 放大器多,特性不一致,噪点高 |
| 功耗比 | 需外加电压,功耗高 | 直接放大,功耗低 |
按用处分类可分为视觉相机和安防监控相机两大类
| 机器视觉 | 安防监控 | |
| 触发采集模式 | 含有触发采集接口 | 无触发采集接口 |
| 分辨率 | 从高到低都有, 很丰富 | 一般较低 |
| 程序接口 | 有完善的程序开发库, 尤其对图像捕捉功能支持很齐全 | 一般只有连续视频捕捉功能 |
| 价格 | 贵 | 很便宜 |
| 数据传输接口 | 各种类型都有: USB, 千兆以太网, Cameralink, 1394 | 目前以模拟接口为主, 数字接口较少 |
按感光单元排列方法分为线阵扫描相机和面阵扫描相机
| 线阵相机 | 面阵相机 | |
| 结构特点 | 结构简单, 在同等分辨率下的成本较低 | 结构复杂,在同等条件下成本高 |
| 应用场合 | 匀速运动的物体,如工业流水线 | 可以使静止的, 也可以是运动的 |
| 分辨率 | 512, 2K, 4K/行 | 640x480, 800x600, 1024x768, ...2048x1536或者更高 |
| 光源 | 光源只需要一窄条,这个画面比较均匀, 能在低照度下工作 | 整个面的光源较难做到均匀,照度要求高 |
| 彩色相机形式 | 三线CCD,或者棱镜分光 | 彩色滤光膜, bayer算法 |
按彩色形成方式:
2: 镜头基础知识
镜头外形
机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦和调光圈两个环，为了防止误碰动
，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。
注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上
常用镜头参数：焦距
焦距是镜头最常用的参数，我们包装检测系列产品中使用的镜头有3.5mm,4mm,6mm,8mm,12mm等多种规格(1/3”CCD的标准镜头为8mm)。
除杂系列产品一般都使用28mm的广角镜头(线扫描相机的标准镜头大概是40mm左右)。
焦距越小的镜头越不好做，价格越高，边缘变形等问题越大，所以尽量选用标准镜头，性价比最高
常用镜头参数：光圈
光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置
光圈f值 = 镜头的焦距 / 镜头口径的直径
根据公式，光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多 ，每级光圈一般以倍数递增，例如f8调整到f5.6 ，进光量多一倍
光圈越小，景深越大
增加景深的问题
在我们的产品里，往往要求加大景深，例如除杂机里，烟叶不完全在同一个平面上，只有加大景深才能让不同距离上的烟叶都清晰。
加大景深只有通过缩小光圈来实现，而缩小光圈同时会导致图像变暗，这就要求照明亮度要提高
常用镜头参数：分辨率
镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“ 线对 / 毫米”。
条包检测器上用computar MP0814-MP镜头，是百万象素级的镜头,分辨率为100线对/mm，这个分辨率较高。其实除了视觉测量，其实我们的产品一般都不用这么高的分辨率
CCD的芯片的分辨率越高，要求的镜头的分辨率也越高
常用镜头参数：变形率
变形率的定义：
两张底片比较，一张是该镜头拍的底片（底片1），另一张是无变形的标准底片（底片2），两张底片的取景相同，中心严格一致，先在底片1上确定一点到底片中心点的距离（距离1），然后在底片2上找到对应的该点，并度量该点到中心点的距离（距离2），然后：（距离1 - 距离2） / 距离2 *100%
所有的镜头都存在有变形的现象，可以用一个网格线模板进行测试，一般情况下，越是焦距短的镜头，越是变形率大
变形率小于2%都是不错的镜头。
C接口和CS接口
C接口：镜头基准面到焦平面（也就是CCD靶面）为17.526mm
CS接口：镜头基准面到焦平面（也就是CCD靶面）为12.5mm
注意：机械设计如何确定焦平面（也就是CCD靶面），一般就是从相机镜头接口往后量12.5mm或者17.526mm（根据相机接口类型定）
3: 光路计算
CCD成像基础共式
CCD光路计算规律
在我们的计算中， 一般有如下规律
- u >> f：
- 像距v近似等于焦距f：由于物距u>>焦距f，根据公司，所以物距基本等于焦距，事实上，调焦的过程就是将像距微调和焦距基本相差不远
- 镜头中心点的确认：由于v近似等于f，所以，从CCD靶面向前焦距距离就是镜头中心点，这个点的缺点对于我们光路作图意义很大
视场角和镜头中心点
视角 = 2 arctag(CCD靶面尺寸/2V)
由于V近似等于f, 所以视角近似等于2arctag(CCD靶面尺寸/2f）
镜头中心的位置大致就在靶面向前f的距离上
视场角的进一步知识
视角与镜头、CCD尺寸均相关，
对于1/3寸CCD的视角
| 2.8mm | 3.5mm | 4mm | 4.8mm | 6mm | 8mm |
| 86.3度 | 67.4度 | 62度 | 52.2度 | 42.3度 | 32.6度 |
标准镜头是指和人眼有效视角差不多的镜头（大约30度），1/3英寸CCD的标准镜头是8mm，1/2英寸CCD的标准镜头是12mm。
以前35mm胶卷的照相机标准镜头是50mm，除杂机用的线阵相机标准镜头大致为40mm，标准镜头比较容易制造，性价比也比较高。
光路作图步骤1
- 查CCD手册得到靶面尺寸和位置,并在CAD图上画出靶面的位置
- 从靶面向前f(镜头的焦距,例如35mm)找到镜头中心点
- 连线即可得到CCD的视野范围
- 如果视野不满足要求,可通过更换不同焦距的镜头来达成目标
光路作图步骤2
- 如果视频柜的空间不够,可以采用反光镜来调整相机实际位置,作图时,以反光镜为中轴做镜像影射即可
- 镜子的两端应该超出视场角线两端一小段距离, 保证视野内全是反光镜的成像
- 相机不能出现在视角范围内, 否则会阻挡相机的视野
- 反光镜镜面不宜朝上, 否则容易落灰, 如果一定需要朝上, 必须做个外壳将相机和反光镜封在同一个密闭体内.