一文详解工业相机和镜头选取
作者：Atlas
来源：公众号@3D视觉工坊
01 什么是工业相机
刚入门3D视觉，第一次接触到工业相机的时候，对，一般来说工业相机长这个样子：
图1 常见工业相机外观
一问价格，至少都是大几千，贵的在十几万，心里就不禁有疑问，就这么一个破相机，为啥就卖这么贵？它跟我们常见的单反相机有什么区别？我用单反相机来拍，色彩又好，成像又清晰，它不香吗？为啥一定要用工业相机？
图2 常见单反相机外观
咋一看，单反相机块头这么大、工业相机块头这么小，工业相机明显在坑人啊！诚然，由于工业相机需求量和产量的缘故，工业相机的研发、制造总成本会远远高过消费级单反相机，这也是它价格更为昂贵的原因，但我们这里一定要明白一个概念：工业相机，不能简单地理解为工业上用的相机，它是有特殊用途的一类相机统称。
特殊用途 ：什么叫特殊用途，比如说我们3D重建算法，对相机的畸变要求尽量小，在某些恶劣场合，需要用到IP67级防水相机、拍摄原子弹爆炸前几微秒内原子弹内部的场景，这类专门的相机可以称为高速相机，这些相机都可以称为工业相机。而相反的，你认为工厂里监控摄像头，尽管它部署在工厂里的每个角落，但你能认为它是工业相机吗？
02 工业相机与单反相机的区别
事实上，工业相机相比较一般的单反相机，区别还是很大的，概括下来大致有以下4个方面：
1、配 备专门软件开发工具包 （Software Development Kit，SDK），我们可以通过代码设置包括：曝光时间、触发方式、图像分辨率、成像帧率等等一系列相机参数（下面是某款相机SDK的图像界面）。
图3 FlyCapture SDK 采集图像界面
2、成像精准 ：一般来说，工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通传感器是隔行扫描的，前者生产工艺更为复杂，成品率低、出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品。此外，工业相机的畸变、色彩还原准确度往往更好，而单反相机追求的是要拍的好看。
3、稳定性和可靠性 ：工业相机的性能稳定可靠、易于安装，结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下工作，这是单反相机做不到的。
例如一些工业相机被安装在工业检测生产线上，负责产品的视觉测量、缺陷筛查等工作，这就要求相机在流水线常年连续运转过程中保证不出故障，否则会导致生产线停摆甚至瘫痪，这对企业来说意味着难以挽回的经济损失。
4、特殊用途
·严苛场景 ：比如某些在航空上用的相机，其工作温度范围就要求：-40℃~85℃；·像速度 ：拍摄汽车碰撞、原子弹爆炸的高速相机；·光谱范围 ：比如测量钢炉内铁水温度的红外相机；除此之外，工业相机一般来是黑白的，主要是为了保证曝光充足、成像准确。至于价格，我认为不是区分工业相机和单反相机主要的因素，还是得看具体相机的型号，消费级市场也有大十几万的设备。
03 工业相机的接口
工业相机的接口主要有三种类型：
图4 工业相机的接口[2]
镜头 接口：固定相机跟镜头，也称为卡口；数据 接口（控制）：传输拍摄到的相机数据（控制相机）；电源 接口（控制）：提供相机电源（控制相机）；有时候，数据口和电源口也会放一起，某个接口既能提供数据传输又能提供相机电源，随着时代的变化，这类即插即用的工业相机越来越普遍。
这里所谓的即插即用，并不是说插上去就能用，而是在安装相应的驱动后，我们通过SDK可以进行调用，区别与某些接口相机需要自己去写底层驱动以及相应图像处理算法。
3.1 镜头接口
通常来说，我们买到的工业相机是不带镜头的，就像下面这样：
图5 不带镜头的工业相机
常见的工业相机镜头接口包括：C、CS、M42、M50、F、V、T2等等，接口类型的不同和工业相机镜头性能、质量并无直接关系，仅仅是接口方式不一样，一般来说，我们也能找到各种常用接口之间的转接口。下面简要地介绍下这些接口。
最简单的，你记住什么相机接口对什么相机镜头即可。
1）C、CS接口
相机镜头的C、CS接口非常相似，它们的接口直径 、螺纹间距 都是一样的，仅仅是法兰距 不同。C接口的法兰距是17.5mm，CS接口的法兰距是12.5mm。因此对于CS接口的相机，如果想要接入C接口的镜头，只需要一个5mm厚的CS-C转换环即可。两个接口与转换环的实物如下所示：
图6 工业相机C接口和CS接口实物（图中CS接口相机已转接为C接口）[2]
法兰距 ：也叫做像场定位距离，是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离，即镜头卡口到感光元件（一般是CMOS或CCD）之间的距离。注意，法兰距不同，即便装上也无法清晰对焦和成像。
2）M系列
M12接口，这个接口对应的数字12，指的是接口直径是12mm。由于直径较小，这类接口往往用在微小工业相机上，如无人机上搭载的相机一般用的这类镜头，如下所示：
（1）M12
（2）M42
（3）M58
图7 M系列接口 [2]
而M42、M58接口更大，往往用在大靶面的工业相机、甚至线扫相机上。这类接口直接通过螺纹连接到相机上，连接较为方便。
3）卡扣系列
对于卡扣系列，主要有两种：佳能的EF接口和尼康的F口，这个接口也在它们家单反中使用，两者的差别在于法兰距 不同，F口的法兰距大于EF口，在工业相机领域，尼康的F接口也更为常见一点。实例如下：
（1）EF接口（佳能）
（2）F接口（尼康）
图8 卡扣系列接口[2]
4）常见镜头接口参数
当然还有其他接口，包括老式的PK口、施耐德V口、以及其它各种接口等，这些用的倒不多，就不一一介绍了。其实记住一句话，什么相机口对什么镜头口 即可了，但这里还是给出常见的镜头接口参数，以便大家参阅：
表1 常见镜头接口参数[2]
3.2 数据+电源 接口
常见的数据、电源接口包括USB、CoaxPress、CameraLink、Gige接口等，如下所示：
图9 常见数据+电源 接口[3]
它们的性能指标对比如下：
表2 常见数据+电源接口对比[3]
简要地解释一下：
USB2.0、3.0系列：这类接口的好处是即插即用（虽然这里说是即插即用，但一般工业相机都还是要安装驱动以及相应的SDK才能调用的），3.0的速度达到了5.0GB，但问题是传输的线路太短，不太适合长距离、大批量工业相机的应用场景（这在大多数化工企业中是这样，相机安装在工厂的各个角落，处理放在主控室）。IEEE1394：Apple公司推出的标准，传输速度介于USB2.0~3.0之间（还是比较慢的），传输距离达到了100m，但是其需要额外的转接头，因此应用也不多。GIGE：也就是常说的网口相机，传输速度虽然不高（一般来说也够用了），但是传输距离远，集成方便，配合上千兆路由器，可以实现大规模的工业相机集成，目前工业应用上最为广泛，较为高端的工业相机也大多采用这种配置，唯一的缺点是需要额外的电源供电。Cameralink：一种专门的工业级视觉产品使用行业标准，传输速度可以达到5.44Gbit/s，往往用在之前的一些高速相机上(因为之前USB2.0、GIGE这些接口都太慢了)，但缺点是需要额外的图像采集卡 、价格贵（一条线缆1000）、而且不好用，要自己去写相机驱动，并且不支持热插拔（会损坏相机！）。原因：使用这类接口的相机在物理上被硬生生地拆为两部分，相机的厂商只负责相机的制造，而相应的驱动、软件，比如说图像的采集、处理等算法都需要你自己对CameraLink采集卡进行编程。CiaXPress：速度快、传输距离远，独立供电、价格也便宜，推出来用以取代Cameralink接口。这类相机需要额外的接口卡 ，注意，这里是接口卡！接口卡不同于采集卡，其只是相机采集到的数据的一个中转站，不会对数据做任何处理，其直接将数据存储在主寄存器中。因为这类相机传输速度较快，如果将拷贝数据的工作交给CPU来做的话，CPU将会消耗大量资源.需要说明的是，我们选取工业相机型号的时候，接口并不是传输速度越好越好，而是要挑合适的，杀鸡焉用牛刀？那怎么选型呢？我们下一节说！
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04 镜头参数
4.1 焦距
1）物理焦距
对于单片凸透镜来说，焦距通常指平行光线经凸透镜汇聚后一点到透镜中心的这段距离 ，如下所示。通常，这个距离在制造完成后就不可变的，也就是说一块凸透镜的焦距 是不会发生变化的。
图10 单片凸透镜的物理焦距
但现代镜头通常由多片薄透镜组成，如图11所示:
图11 现代相机镜头构成[5]
它们之间的的相对距离可以发生变化，因而物理焦距 也可以随之发生变化，这类镜头称为变焦镜头 ，反之不能发生变化的是定焦镜头 。
2）摄影焦距
市面上大多数镜头都是定焦镜头，但是我们常说调焦又是怎么回事呢？不是说定焦镜头吗？定焦怎么能调焦呢？
事实上，这里我们所说的调焦 ，或者说对焦 ，其实并不说改变镜头的物理焦距，而是改变像距，即调整成像面和镜头的距离，使得CCD上能够清晰成像，这段距离也称为摄影焦距 ，简称焦距 ，如下所示：
图12 镜头的摄影焦距[4]
3）调焦原因
为什么要去调整摄影焦距呢？
我们来看下面这个模型：
图13 相机清晰成像对焦情况
对于小人头部的A点，其从头部发出三个方向的光线，经过镜头汇聚后，汇聚于成像面的A’点。那么对于A点发出其它方向的光线呢？它们也会汇聚于A点，因为镜头的形状是经过专门设计的。
这里有两点特殊：
同一点发出的各个方向的光线，经过镜头后必定汇聚于同一点； 同一平面上的不同点发出的光线，经过镜头后，汇聚于不同点；对于这个模型，这里可以看出，如果相机镜头跟成像面的距离，也就是焦距不对 ，那么必然要进行调焦 。在实际情况中，在大多数相机中，CCD是固定不动的，我们通过移动整个镜头离成像面的距离来完成对焦（镜头的物理焦距依然没有发生改变，这也是定焦镜头可以调焦的原理 ）。
为什么改变物体距相机的距离后，我们要重新进行调焦？
原因如下：即使是同一个高度点，在不同距离上，摄影焦距也是不一样的 ，因而需要调焦，示意图如下，A1、A2的摄影焦距显然不一样：
图14 不同成像距离，摄影距离不同，因而需要调焦
有人又问了，如果发生发生下面这个场景，图像不会混叠吗？A1、A3好像成像在同一点上，首先A3是可以清晰成像的，A1显然不行。
图15 不同距离、高度下光路混叠现象
其次，从理论上讲，A1、A3在CCD上就是呈现为同一点，那怎么区分A1、A3点呢？拜托，动下脑子，如果有A3点，你能看到A1点吗？
需要提的一点是，在之后的模型推导中，我们会将整个相机模型简化为小孔成像模型，就像下图这样，这并不会影响我们之后公式推导的准确性。
图16 简化的相机小孔成像模型
对于上面的理解，这里只要求你大致了解，知道为什么需要调焦就好，因为传统的相机光学真的是门非常复杂、高深的学问，可以讲好久，在这里我跟你讲的还是化简后的相机模型。
简单说，焦距有两种，镜头的物理焦距和摄影焦距，物理焦距一般出厂后就固定了，我们调整的是摄影焦距，恰当的摄影焦距才能使图像清晰成像。
4.2 景深
前面有个问题，我们知道头顶平面可以清晰成像，那么鼻子的位置就不能清晰成像了吗？
事实上，我们所谓的清晰是一个相对的概念，人眼的分辨能力有限，只要该区域足够小，我们就认为它是清楚的。模型如下所示：
图17 景深：相机在一段范围内都可以认为是清晰成像的
在平面前后一定距离范围内，从a到c，我们可以认为成像都是清晰的，这一深度范围称为景深 。焦点附近，也就是在景深范围内清晰，而前后方景物都比较模糊，实际的图像如下：
图18 景深范围内清晰，范围外模糊
4.3 光圈
光圈大小是用 f 值来刻画的，意思是开了几分之几，影响镜头的进光量。光圈值为f/2.0，意思是开了1/2，常见的光圈值如下所示：
图19 镜头光圈大小
光圈的大小除了影响进光量外，也会影响景深，简单说：光圈越大，景深越小 。
图20 光圈影响景深原理图
较大的光圈意味着更大的进光量，有利于弱光环境下拍摄，一般来说，镜头越亮约好，但是大光圈镜头也意味着景深不够。
4.4 常见镜头标识
关于工业相机中常见的镜头标识大致如下：
图21 镜头常见标识
还有一些镜头标识，当你看到了不认识，请百度一下！因为有时候我也会不认识上面的标志。
05 相机参数
关于相机的参数就简单多了，下面简要叙述：
分辨率 相机每次采集图像水平和竖直方向的像素点数，对应于CCD水平和竖直方向排列的感光元的个数，常见的分辨率有：。像元大小 单个像素的物理尺寸大小，一般来说，像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。目前工业数字相机像元尺寸一般为3~4 。靶面尺寸 通常厂家会告诉你实际CCD的靶面尺寸，其并不完全等于分辨率 像元大小，常见的相机靶面尺寸查询http://shixinhua.com/camera/2012/06/7.html。像元大小和像元数（分辨率）两者共同决定相机靶面的大小，是此消彼长的关系，所以我们选择相机的时候也并不是分辨率越高越好，而是挑选合适的分辨率。像素深度 每个像素的位数，含义如下，比如说一副灰色图像的像素深度为 8 bit，那么意味着它有 级灰度（对于三通道的彩色图像来说，意味着 种颜色）。常见的像素深度有 8、10、12 bit。像素深度过浅，会使图像看起来不自然。而增加像素深度可以增加测量的准确性，但是也会降低系统的速度，并且提高系统集成的难度。知道了像素深度概念，你就能明白为什么大多数工业相机都是黑白相机了吧？最大帧率/行频 相机采集和传输图像的速度，一般来说有两种类型相机：面阵相机：每秒采集的帧数（Frames/Sec）；线阵相机：每秒采集的行数（HZ）；曝光方式 线阵相机：逐行曝光，有固定行频和外触发同步形式；面阵相机：帧曝光、场曝光、滚动曝光等形式，也提供外触发同步形式；所谓外触发同步，指的是外部给一个信号，相机即开始拍摄图像。曝光时间 也称为快门速度，指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像。曝光时间 快门速度共同决定了曝光量。曝光时间不能设置太长，其会增加照片的底噪，也不能设置太短，会导致曝光不足，要看需要而定：在暗光条件下，比如说拍星星，曝光时间就要设置几个小时。而在亮光情况下，拍摄运动的汽车，曝光时间就不能设置太长，否则会行成残影。光谱响应特性 指传感器对不同光波的敏感特性，一般来说，响应范围都在350nm~1000nm间。有的相机在靶面前面会增加一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要多红外光感应，可以去除该滤镜。信噪比 相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值，代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。06 相机和镜头选取
下面这些参数，主要用在相机、镜头选取的计算中：
工作距离 （Working distance, WD）：镜头最外端到被测物体距离。视场范围 （Field of View, FV）：实际拍摄到区域尺寸。视场角 （Angle of View, FOV）：影响理论视场范围。图22 视场角和视场范围关系
光学放大倍数 （Magnification, B）：芯片尺寸除以视野范围；图23 光学放大倍数
下面我们来讲一些主要参数的选取：
1.相机
·CCD or CMOS· CCD 提供更好的图像质量、抗噪能力，CMOS体积更小，但噪声会更多一点。当然，这不是绝对的，还是钱决定的。· CCD尺寸· 有钱的话，尽量买大一点的。· 合适的分辨率· 对于视野范围为 ，要求测量精度为 ，那么横/竖放下的分辨率至少为 像素，通过我们不会用一个像素对应一个测量精度，一般选择倍数为4、甚至更高，这样相机单方向的分辨率为 ，相机的分辨率：。这也是为什么结构光系统视野范围大则测量精度低的原因。
· 足够的相机帧率· 当被测物体有运动要求，相机的帧率不能太低，对于一些高速运动的物体，可以选择2.镜头
· 镜头接口：跟相机接口匹配，也可以外加转换口后匹配，并且镜头可支持的最大CCD尺寸应大于选配相机CCD尺寸大小。· 镜头焦距根据相机CCD尺寸、工作距离、视场大小（物体的高/宽）计算所需镜头的焦距，如下：图24 根据CCD尺寸、工作距离、视场大小计算所需的镜头焦距· 镜头光圈范围光圈大小决定图像亮度，在拍摄高速运动物体、曝光时间很短的应用中，应选用大光圈镜头以提高图像亮度。07 附录
1、FlyCapture2工业相机使用说明书： 在公众号「3D视觉工坊 」，后台回复「工业相机 」，即可直接下载。
2、图像传感器报告摘要
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/137375626
参考链接
[1]工业相机与单反相机的区别 <知乎，微光启明，国防科技大学，工学博士>：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95829433
[2]工业相机镜头接口类型 <知乎，微光启明，国防科技大学，工学博士>：https://zhuanlan.zhihu.com/p/100984490
[3]工业相机数据接口标准 <电子发烧友，judyzhong>：http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20171117581055.html
[4]工业相机和镜头主要参数 <CSDN，非凡初来乍到>：https://blog.csdn.net/qq_38241538/article/details/84106969
[5]相机镜头工作原理图解<Paincker,学习思考>：https://www.paincker.com/how-the-lens-works
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工业镜头的主要参数对成像质量的影响
在机器视觉系统应用中，好的镜头就相当于人拥有好的眼睛，其作用是将光学图像聚焦在图像传感器的光敏面阵上。一个高质量的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种图像的校正也比较好，但其价格也会相应的提高。
在选择工业相机的同时选择合适的镜头，你可能认为自己需要的是高分辨率的相机，但是却没有选择性价比高的镜头去搭配，最后可能在高分辨率相机上浪费钱。一个高性价比镜头，不仅体现在图像效果的层面上，也体现视觉项目的成本预算中。所以，如果我们掌握一些选择镜头的规律和经验，就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。
不同类型的工业镜头，成像质量也各不相同；即使类型相同，其成像质量也有着很大的差异，主要是因为镜头材质、加工精度和镜片结构等因素造成的，所以也导致不同档次的镜头价格有着巨大的差异。
行业中一般用光学传递函数OTF （Optical Transfer Function）来综合评价某个镜头成像质量的好与坏，光学传递函数，即光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息，当它在传递被拍物图像数据信息时，被传递为各空间频率的正弦波信号，其调制度和位相在成实际像时的变化，均为空间频率的函数。
像差则是影响图像质量的重要因素，常见的像差有：
球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经光学折射后，由同一物点散射的光束经过透镜后，不交在同一位置上，以至在主轴上的理想像平面处，形成一个漫射光斑，即此现象称为球差。
慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。
像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。
场曲： 垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直 于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的 成像误差称为场曲。
色差：由白色物体向光学系统发出一束白光，经光学系统折射后，各色光不能会聚于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。
畸变：被拍平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。
评价镜头质量时还会从分辨率、明锐度和景深等实用参数判断：
1、 分辨率：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑。
2、 明锐度：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。
3、 景深：调焦物平面前后的能形成相对清晰影像的实物纵深距离，也就是能获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。
4、 最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，即：相对孔径＝D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数。
工业镜头质量的好坏，直接影响到图像质量的效果，最终影响到机器视觉系统的整体性能，镜头主要参数对成像质量的影响：
1、焦距大小的影响
焦距越小，景深越大；焦距越小，畸变越大；
焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。
2、 光圈大小的影响
光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；
光圈越大，分辨率越高；光圈越大，球差和慧差越严重；
光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。
3、图像中心与边缘的影响
图像中心较边缘分辨率高；
图像中心较边缘光场照度高；
像图像中心较边缘畸变小；
4、光波的影响
在相同的相机及镜头参数条件下，视觉光源的光波波长越短，镜头的分辨力越高。所以在精密测量的视觉系统项目中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统稳定性和图像精度有很大的作用。
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