揭秘！工业镜头分辨率与像素的“黄金搭档”，如何打造图像质量？
在工业自动化与机器视觉的广阔领域中，工业镜头的分辨率与像素作为图像质量的两大核心要素，其关系之紧密、影响之深远，往往直接决定了最终图像的清晰度和细节捕捉能力。本文将深入剖析这一对“黄金搭档”的内在联系，结合技术参数与实例，为您揭示它们如何携手共创高质量图像的秘密。
一、工业镜头分辨率与像素的基本概念
1.1 分辨率的定义
工业相机的分辨率，简而言之，就是相机能够捕捉到的图像中所包含的细节和清晰度的程度。它通常以横向像素数（宽度）乘以纵向像素数（高度）来表示，如1920x1080的分辨率意味着图像在水平方向上有1920个像素点，垂直方向上有1080个像素点。分辨率越高，图像所能展现的细节就越丰富，清晰度也越高。
1.2 像素的角色
像素，作为构成数字图像的最小单位，是图像中的一个点，具有特定的大小和颜色信息。在工业相机中，像素的数量直接决定了图像的细节程度和清晰度。像素越多，意味着相机能够捕捉到的图像信息越丰富，图像的分辨率也就越高。
二、分辨率与像素的紧密关系
2.1 直接关系：像素数量决定分辨率
分辨率与像素之间存在直接的数学关系。像素数量越多，相机的分辨率就越高，图像的细节和清晰度也就越高。例如，一个200万像素的相机，其分辨率可能为1600x1200；而一个500万像素的相机，其分辨率则可能达到2592x1944。这种直接的比例关系，使得像素数量成为衡量相机分辨率高低的重要标准。
2.2 影响因素：传感器尺寸与镜头质量
然而，分辨率不仅仅由像素数量决定，还受到传感器尺寸和镜头质量等因素的影响。传感器尺寸决定了单个像素的大小，进而影响成像的清晰程度。例如，同样500万像素的相机，如果传感器尺寸更大，那么单个像素的面积也会相应增大，从而有利于捕获更多的光线和细节信息，提高图像的清晰度和信噪比。
此外，镜头质量也是影响分辨率的关键因素。高质量的镜头能够更准确地聚焦光线，减少像差和畸变，从而进一步提升图像的分辨率和清晰度。
三、技术参数与实例分析
3.1 技术参数详解
传感器尺寸 ：传感器尺寸直接影响单个像素的大小和成像质量。常见的传感器尺寸有1/3"、1/2"、2/3"等，尺寸越大，成像质量通常越好。像素尺寸 ：像元尺寸（像素尺寸）是指传感器上每个像素点的物理尺寸，单位通常为微米（μm）。像元尺寸越小，分辨率越高，但信噪比可能会降低。帧率 ：帧率表示单位时间内显示的帧数，对于工业相机而言，高帧率意味着能够更快地捕捉动态图像，减少运动模糊。动态范围 ：动态范围是指相机能够测量的最大亮度和最小亮度的比值，高动态范围有助于在复杂光照条件下保持图像的细节和层次感。3.2 实例分析：500万像素工业相机
以一款500万像素的工业相机为例，其分辨率可能达到2592x1944。假设该相机采用2/3"的传感器，其传感器尺寸约为8.8mm×6.6mm。通过计算，我们可以得出单个像素点的大小大约为3.4μm×3.4μm。这样的配置使得该相机在捕捉图像时能够保持较高的清晰度和细节捕捉能力。
与此同时，如果搭配一款高质量的镜头，如具有低畸变、高分辨率特性的远心镜头，那么相机的整体成像质量将得到进一步提升。远心镜头能够在一定物距范围内保持图像放大倍率不变，有效减少因工作距离变化而导致的图像尺寸变化，非常适合于精密测量和检测应用。
四、应用场景与选择策略
工业相机的分辨率与像素选择应根据具体应用场景而定。在需要精细检测和高清图像显示的应用中，如电子元件检测、机器人视觉引导、医疗影像分析等，应选择高分辨率、高像素的相机和镜头组合。而在一些简单的监控和识别任务中，如仓库货物识别、人员进出管理等，则可以选择分辨率和像素较低的相机以降低成本。
【光学知识】机器视觉中的精度（二）
精度的限制
然而，在实际应用中，并非像素越多越好。还有其他潜在的物理限制。例如，低于0.0001mm的分辨率可能会受到光学衍射极限的限制。
衍射是电磁辐射传播的基础，并导致超出简单几何模型预测范围的特征性能量传播。
对于成像来说，意味着从对象中的单个点收集的光会聚焦到图像中的一个有限点，而不是无限小的点。如果来自物点的辐射均匀地填充透镜孔径，并且透镜孔径是圆形且没有阻碍的，则所得光斑分布将表现为被同心环包围的中心圆盘。根据光的波动理论，中心圆盘包含光斑分布中总能量的 83.8%。
最直接的图像效果是相邻的点模糊在一起，因此无法分辨，彼此之间。在机器视觉应用中，所指的点是子像素“刻度”。衍射极限由瑞利准则定义为：
sinθ=1.22λ/D。其中θ是角分辨率，λ是波长，D是入瞳直径。当θ很小时，sinθ约等于θ，约等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距。
然而，这种限制会因应用条件和变量而加剧，例如：光照水平和光谱变化、光学畸变和像差、相机灵敏度不均匀性、视觉算法解释变化、温度、振动等。更不用说零件外观和呈现变量。结果是，在任何给定的机器视觉应用中，实际精度限制在 0.0008mm - 0.001mm的数量级。
视觉组件的分析
在机器视觉的测量应用中，处理具有需要0.001mm重复性和精度的公差的尺寸并不罕见。这些要求非常高，因此需要注意细节。
光源
理想的照明是使用背光源进行准直照明，以提供最高对比度和最清晰的边缘。这仅在可以在对象的轮廓中观察到要测量的特征时才有效。另一种方法是使用具有频闪功能输出的光源。频闪提供了额外的优势，即减少运动和振动对图像拖尾的影响。
使用频闪的优点是效率高，并且能够准确地控制对相机或移动物体的光脉冲调整。
镜头
负责收集光的镜头应采用远心设计，以获得最小的边缘畸变，并能容忍由于位置和振动变化引起的潜在放大倍数变化。
在理想化的实验室条件下，可以设计分辨率为0.000020mm的显微镜。然而，在实际的工业环境中，分辨率不可能超过0.00005 - 0.0001mm。
被测物的摆放和相机的固定应该使被测物始终与相机的图像平面呈平行。这将避免由于透视和梯形失真效果导致的像素拉伸。需要注意的是，光学的其他特性也会影响分辨率，尤其是离轴分辨率：失真、像散、场曲、渐晕等。
在某些情况下，与像素尺寸相比，这些将成为误差的很大一部分，因此，由机器视觉系统进行相应的补偿。或者，可能需要更好的光学器件，例如光虎视觉生产的双远心镜头。
相机
相机中使用的光电传感器应具有至少500 x 500数量级的分辨率（就其包含的感光点数量而言）。在使用光电传感器相机的情况下，机器视觉中的分辨率通常等同于到成像器中的感光点数量。相机应该对照明的蓝色光谱具有尽可能高的响应，以产生具有尽可能高对比度的图像。
正方形的传感器相机是机器视觉中的首选，因为它的水平和垂直值相同。虽然使用长方形光电传感器时可以在软件中纠正，但它需要额外的计算能力，进而需要更多的时间。
相机本身应该具有异步扫描能力，尤其是在使用频闪光源的情况下。曝光控制功能也可用于进一步减少背景照明的影响。
具有异步扫描能力的相机还具有帮助将事件同步到相机的优势。通过将相机与事件同步，可确保对象在物理上始终位于图像中的同一位置。这可以最大限度地减少对平移校正的需求，这种算法会增加执行的处理时间，因此会降低机器视觉系统的性能。
影响相机分辨率的问题包括：照明、电子噪声、机械噪声、光学和混叠。
A-D/帧缓冲区应与成像器中的感光点数量兼容。还应该能够从帧缓冲区同步相机，以消除像素抖动的影响。
像素抖动会导致像素到对象空间的重复映射错误。这在更高分辨率的相机中更加明显，例如那些应该用于精密测量应用的高分辨率相机，其中抖动可能会导致一个像素的偏差。
视觉软件
光虎认为，视觉软件应该具有进行亚像素算法分析的能力。值得注意的是，子像素处理有许多不同的方法，这些方法产生的结果在鲁棒性上有所不同。虽然许多公司声称有能力将子像素实际达到像素的1/64，但人们普遍认为，在工业应用中通常能实现的最佳子像素约为1/10或1/20个像素。
亚像素化方法利用了这样一个事实：即对象的边缘实际上会落在几个像素上，并有效地产生灰度曲线。在该曲线上运行的任意数量的不同数学方法将产生将边缘位置解释为像素内的能力。本质上，子像素代表两个“刻度”之间的最佳距离，并且与视觉系统进行测量的能力有关，而不是检测小于像素的属性。
视觉软件应该能够补偿适度的平移(0.005mm)和旋转 (5°)误差。它还应该能够基于亚像素处理技术对边缘进行操作（至少为1:10）。理想情况下它应该能够根据像素数据的最佳拟合来追踪边缘，并在两条这样的线之间进行测量。
值得注意的是，具有更高处理速度（每分钟 3000 张或更高）的带视觉软件的计算机有更大的优势：它可以对单个被测物上拍摄的多张图片进行平均。这种平均可以提高信噪比，因此，通常能通过样本数量的平方根有效地提高系统的分辨率。
【来源：光虎工业镜头】
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