【干货】 视觉检测之工业相机选取问题大盘点

1：工业相机的丢帧的问题是由什么原因引起的?

工业相机的丢帧现象和相机采用的接口没有关系，不管什么接口，驱动程序设计的不良和工业相机硬件才是丢帧的真正原因。丢帧的原因其实就是资料通道堵塞，新的图像进来时无法及时处理，前一张可能被迫丢弃，或者新的图像丢失。要想解决丢帧问题，必须针对驱动程序和工业相机硬件资料传输中间的每一个环节进行精密设计。

2：工业相机输出、输入接口有哪些?

工业相机的输入、输出接口有USB3.0，IEEE 1394，Camera Link、USB2.0、Ethernet几种；

3：知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择CCD 相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么?

首先要选择合适的镜头。选择镜头应该遵循以下原则：

1）镜头的芯片靶面大于或者等于工业相机芯片；

2)选择匹配相机接口的镜头，是C接口还是F接口，或着M42接口等；

3)注意选择镜头的最小工作距离，镜头畸变，结构尺寸及光谱特性；

选择CCD 相机时，应该综合考虑以下几个方面：

1) 注意感光芯片类型；通常CCD 或者CMOS，CCD的成像质量优于CMOS,成本也高于CMOS，同样分辨率的传感器，优先选择尺寸大的，有利于成像质量的提高；

2) 视频特点；包括点频、行频。

3) 相机输出接口，不同的输出接口对用不同的带宽，根据传输的距离，稳定性，传输数据的大小（带宽）等合适的选择USB,1394,Camerlink或者百兆/千兆网接口的相机；

4) 相机的工作模式：连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。

5) 视频参数调整及控制方法：Manual、RS232.

同时，选择CCD 的时候应该注意，l inch = 16mm 而不是等于25.4mm.

4：CCD 相机与CMOS 相机的区别在哪里？

主要区别：

CMOS（互补金属氧化物半导体）

1.采用CMOS芯片，价格相对CCD相机较低2.CMOS芯片曝光方式一般为卷帘式快门曝光，适合拍摄静止物，体拍摄运动物体有拖影，且图像会变形3.色彩还原性较差4.芯片动态范围较小，灵敏度较差但在光照充足的情况下，也能取得较好的图像效果5.系统噪声：中到高CCD（电荷耦合器件） 1.采用CCD芯片，价格较高2.CCD芯片曝光方式一般为帧（全局快门）曝光，适合拍摄静止或运动物体3.色彩还原性好4.芯片动态范围较大，灵敏度好，成像效果对外界打光的依赖比CMOS芯片低5.系统噪声：低

5：工业相机都有哪些主要参数？

1.分辨率( Resolution )；相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于工业数字模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。

2.像素深度(Pixel Depth)：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于工业数字数字相机一般还会有10Bit、12Bit等。

3.最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate)：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。

4.曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，工业数字相机般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。

5.像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小

6.光谱响应特性(Spectral Range)：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm-1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

6：工业相机的噪声是什么意思？

根据欧洲相机测试标准EMVA1288 中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：

一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方= 信号的均值）。

第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。

另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。

7：工业相机的信噪比什么意思？

特定参数(信号)值与非特异性参数(噪声)的比值。如实验中样品的放射性与本底放射性强度之比；荧光在X射线底片上所造成的感光强度与非特异感光背景强度之比；序列同源性比较时，配对与非配对序列之比等。信噪比的值越大，图像的质量就越高。

8：工业相机中动态范围是什么意思？

相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB 或Bit 等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

9：如何提高工业相机的动态范围

相机动态范围成像的目的就是要正确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度，以下技术可以提高相机动态范围。

1. 对数响应：设置对数视频放大电路，增大成像器件的动态范围。

2. 深沟道技术：使用厚度为40左右的高阻硅制作CCD，在保持薄型CCD的量子效率高的优点基础上，同时提高红光的量子效率。

3. 双曝光：对传感器做曝光设置，弱光时自动采用长时间曝光，强光时自动采用短时间曝光，提高成像器件适应目标光强变化的能力，适合光强变化剧烈场合。

10：工业相机里的像元深度是什么意思？

数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0 代表全暗而255 代表全亮。介于0 和25 之间的数字代表一定的亮度指标。10bit 数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit 或者12bit 的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。

11：工业相机是怎么分类的？

1、按照芯片类型：可以分为CCD相机、CMOS相机；

2、按照传感器的结构特性：可以分为线阵相机、面阵相机；

3、按照扫描方式：可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；

4、按照分辨率大小：可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；

5、按照输出信号方式：可以分为模拟相机、数字相机；

6、按照输出色彩：可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；

7、按照输出信号速度：可以分为普通速度相机、高速相机；

8、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。

12：工业相机与普通数字相机的区别在哪里？

若用直观的说法指出工业相机与普通数字照相机的区别，就是工业相机给工业产品照相，普通数字相机给风景和人照相。工业相机的主要功能是将外界输入的光信号转换为可被电子系统处理的电信号输出，在成像原理方面与普通数字相机大致相同。相比传统的普通数字相机而言，工业相机具有较高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等特点。

工业相机有多个名称，例如，工业摄像机、工业摄像头、视觉传感器等。当其在工业环境下拍照时，取名为工业照相机；当其在工业环境下录像时，参照对普通民用摄像机的叫法，取名为工业摄像机；当其用于工业环境下的监控时，取名为工业摄像头或工业探头；当其用于工业机器人时，取名为视觉传感器。

工业相机与普通数字式照相机结构框图的主要区别：

13：如何选择线阵相机？

1.计算分辨率：幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

2.检测精度：幅宽除以像素得出实际检测精度。

3.扫描行数：每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

根据以上计算结果选择线阵相机举例如下：

如幅宽为1600 毫米、精度1 毫米、运动速度22000mm/s 相机：1600/1＝1600 像素 最少2000像素，选定为2k 相机 1600/2048＝0.8 实际精度22000mm/0.8mm＝27.5KHz 应选定相机为2048 像素28kHz 相机

14：线阵相机有哪些特点？

1、线阵相机的分辨率更高。

线阵相机每行像素一般为1024，2048，4096，8012；而一般的面阵相机仅为640，768，1280，大于2048的面阵很少见。

2、线阵相机的采集速度更快。

线阵相机的采集速度一般是5000 - 60000 行/秒，用户可以选择每几行或每十几行即构成一帧图像进行一次处理，因此可以达到很高的帧率。

3、线阵相机可以不间断的连续采集和处理。

线阵相机可以对直线运动的物体（印刷品，直线导轨，织物，滚筒上的纸张，传送带上的物体等）进行连续采集。

4、线阵相机有更简单合理的构造。

与面阵相机相比，线阵相机不会浪费分辨率采集到无用数据。

15：什么是智能工业相机？

智能工业相机并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的DSP、FPGA 及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。

16：线阵相机与面阵相机的区别在哪里？

一、指代不同

1、线阵相机：呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长。几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。

2、面阵相机：实现的是像素矩阵拍摄。

二、特点不同

1、线阵相机：被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。需要极大的视野或极高的精度。

2、面阵相机：表现图像细节不是由像素多少决定的，是由分辨率决定的。分辨率是由选择的镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。

三、应用不同

1、线阵相机：主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。

2、面阵相机：应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。

17：选择工业相机镜头步骤是什么？

在次序方面，首先要弄明白的是自己的检测任务，是静态拍照还是动态拍照、拍照的频率是多少、是做缺陷检测还是尺寸测量或者是定位、产品的大小（视野）是多少、需要达到多少精度、所用软件的性能、现场环境情况如何、有没有其它的特殊要求等。如果是动态拍照，运动速度是多少，根据运动速度选择最小曝光时间以及是否需要逐行扫描的镜头。

18：如何用机器视觉系统要求的精度来计算出需要选用相机的分辨率(像素)？

知道实际检测精度来反推该选用多大像素的工业相机可以通过公式来计算得出：X 方向系统精度（X 方向像素值）=视野范围（X 方向）/CCD 芯片像素数量（ X 方向）；Y 方向系统精度（Y 方向像素值）=视野范围（Y方向）/CCD 芯片像素数量（ Y 方向）来获得。当然理论像素值的得出，要由系统精度及亚像素方法综合考虑；

19：如何根据实际要求的检测速度来推导出该选用什么速度的工业相机？

系统单次运行速度=系统成像（包括传输）速度+系统检测速度，虽然系统成像（包括传输）速度可以根据工业相机异步触发功能、快门速度等进行理论计算，最好的方法还是通过软件进行实际测试；

20：工业相机需要与图像采集卡匹配哪些才能正常使用？

工业相机需要与图像采集卡匹配好才能正常使用，一般需要匹配以下几个：

ａ、视频信号的匹配，对于黑白模拟信号相机来说有两种格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同时支持这两种工业相机；

ｂ、分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机；

ｃ、特殊功能的匹配，如要是用相机的特殊功能，先确定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相机同时拍照，这个采集卡就必须支持多通道，如果相机是逐行扫描的，那么采集卡就必须支持逐行扫描；

ｄ、接口的匹配，确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394 等。

21：USB 接口的工业相机与1394 接口工业相机的区别在哪里？

USB 相机与1394 相机从接口方面来说影响到我们选择的因素主要有以下几点：

a）协议规范：1394 设备相关工业规范协议有50 多种，涉及到从摄像机、工业相机、等设备。各厂家的1394 工业相机大都遵循DCAM 工业规范。而USB 工业相机的接口是近期从商业PC 应用中发展起来的商业规范。

b）供电方式：1394 工业相机操作电压为8 到30VDC，USB 工业相机工作电压是5VDC。从供电范围角度看，1394接口符合工业领域单独设备的直流供电要求，比如12VDC 或24VDC；而USB 接口采用电子线路TTL 标准电压供电，一般做设备内部供电使用。

c）操作系统配合：1394 接口工业相机在系统重新启动后能够保持原先的地址不变，而USB 接口工业相机每次启动后都需要系统重新分配地址的。

d）数据传输：1394 接口在处理多台工业相机的数据传输时，有着先天的优势。从发展背景来看，USB 接口是承接RS232 接口的新一代高速数据传输接口，而1394 接口的工业相机是作为替代SCSI 和PCI 总线的而设计的。

22：智能相机的功能？

1、图像采集单元：在智能相机中，图像采集单元相当于普通意义上的CCD/CMOS相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟/数字图像，并输出至图像处理单元。

2、图像处理单元：图像处理单元类似于图像采集、处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处理。

3、图像处理软件：图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能。如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV/OVR、简单的定位和搜索等。在智能相机中，以上算法都封装成固定的模块，用户可直接应用而无需编程。

23：从那几个方面来比较工业相机的几种接口？

以下是工业相机几种接口的比较：

24：如何设置工业相机中的“自动增益控制”功能？

相机通常具有一个对传感器的信号进行放大的视频放大器，其放大倍数称为增益。若放大器的增益保持不变，则在高亮度环境下将使视频信号饱合。利用相机的自动增益控制（AGC）电路可以随着环境内外照度的变化自动的调整放大器的增益，从而可以使相机能够在较大的光照范围内工作。

25：如何来选购图像采集卡？

在选择采集卡进行测试或者开发之前，我们需要明确自己的需求：

1、系统功能：首先要明确公司开发的系统，应实现哪些基本功能。

2、开发时限：根据项目的具体要求，确定开发周期，对采集卡的开发难易程度应以此参考。

3、开发商支持：软件包开发商是否有详尽的使用说明，能否提供足够的源代码，对方的开发人员能否及时技术支持。

4、人力资源：考虑能够参与开发工作的人力资源，包括：编程能力、视觉知识等等方面。考虑这个问题，是因为通常选用功能完备的软件包，并不一定能缩短开发时间，但却能够简化开发工作，使源程序便于优化。

5、分析软件包功能：确定软件包所提供的工具，是否能够支持系统所要求实现的功能。

明确了自己的需求之后，我们可以综合这些需求点来整体的考虑对采集卡的选择，选择最适合自己公司开发要求的图像采集卡。

26：高速工业相机与一般工业相机相比有哪些优势？

1、支持多种图像格式，有多种软硬件外触发功能;

2、系统独立工作，几乎不占用计算机资源，可靠性高;

3、高速实时无压缩图像记录，实时显示，设定速度回显;

4、保证100%不丢帧，解决了传统内存记录方式易丢帧、缺乏断电保护等问题;

5、一套系统中可支持多块板卡和相机，同时对多个目标进行跟踪记录;

6、软件接口简单，便于二次开发和实时处理。

7、系统采用直接将数据写入硬盘的记录方式，解决了传统内存记录方式记录时间短的问题，同时解决了传统采集;系统传输速度受PCI 总线带宽限制的问题;

8、 支持多种外部信号的叠加融合;

27：如何来提高工业相机的灵敏度？

工业相机的灵敏度是可以通过设置工业相机的以下功能来实现的：

28：工业相机的白平衡是什么？相机白平衡如何调节？

什么是白平衡？

白平衡，顾名思义，即白色的平衡，由于人眼的适应性，在不同色温下，都能准确判断出白色，但是相机就差远了，在不同色温的光源下，图像会出现偏色，与人眼看到的颜色不一致，因此需要进行白平衡处理。在数码相机中，往往有ISP，这里面会做AWB（自动白平衡）处理。

简单地说白平衡就是无论环境光线如何，仍然把“白”定义为“白”的一种功能。由于CCD传感器本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正，这种修正就叫做白平衡。

颜色实质上就是对光线的解释，在正常光线下看起来是白颜色的东西在较暗的光线下看起来可能就不是白色，还有荧光灯下的“白”也是“非白”。对于这一切如果能调整白平衡，则在所得到的照片中就能正确地以“白”为基色来还原其他颜色。所以白平衡控制就是通过图像调整，使在各种光线条件下拍摄出的照片色彩和人眼所看到的景物色彩完全相同。

工业相机内部有三个CCD电子耦合元件，他们分别感受蓝色、绿色、红色的光线，在预置情况下这三个感光电路电子放大比例是相同的，为1:1:1的关系，白平衡的调整就是根据被调校的景物改变了这种比例关系。比如被调校景物的蓝、绿、红色光的比例关系是2:1:1（蓝光比例多，色温偏高），那么白平衡调整后的比例关系为1:2:2，调整后的电路放大比例中明显蓝的比例减少，增加了绿和红的比例，这样被调校景物通过白平衡调整电路到所拍摄的影像蓝、绿、红的比例才会相同。也就是说如果被调校的白色偏一点蓝，那么白平衡调整就改变正常的比例关系减弱蓝电路的放大，同时增加绿和红的比例，使所成影像依然为白色。

相机白平衡这一参数可用来调节图像中红色和蓝色的色度，以得到逼真的色彩。可通过手动或自动方式控制这些值。自动白平衡功能提供两种操作模式：

自动：对视频数据流持续实施白平衡操作。

单触：只触发一次调节过程。

普通的多媒体相机只提供一个白平衡参数，所以增加红色色值会减少蓝色色值，反之亦然。高质量的相机提供两个参数，因此可以分别调节红和蓝的色值：

29：如何提高相机感光均匀性？

30：如何提高图像的信噪比？

1、固定噪声校正

该方法需测量和存储各像素的固定图像信号，设置校正电路或校正软件，用校正电路或校正软件固定图像噪声。可消除各像素的传输门的压降和内阻不一致，消除各像素的偏压不一致，提高图像质量，提高图像测量精度。

2、低温工作

用半导体致冷器将成像器件致冷，降低成像器件的热噪声，适合弱光，需长时间场合。

3、相关双采样

在一次曝光前后分别进行两次采样，输出曝光前后采样值之差，可消除KTC（像素复位）噪声。

31：如何提高工业相机的动态范围？

相机动态范围成像的目的就是要正确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度，以下技术可以提高相机动态范围。

32：如何通过调整工业相机来提高图像质量？

在机器视觉系统中，相机需要采集图像，有时候采集的图像质量一般，这就需要我们通过调整工业相机的一些功能参数来提高图像质量，以下技术可提高图像质量。

33：工业相机的机械快门与电子快门有什么区别？

机械快门和电子快门这两者其实完全不是一个概念，。

1、机械快门：用弹簧或是电磁手段，控制几片叶片的开闭，或是两层帘幕像舞台“拉幕”一样左右或上下以一定宽度的缝隙“划过”成像像场窗口，让窗口获得指定时间长短的“见光机会”――这就使通常的机械快门概念。

2、而电子快门则不同，它实际上并没有“门”，而是利用了CCD不通电不工作的原理，在CCD不通电的情况下，尽管像场窗口“大敞开”，但是并不能产生图像。如果在按下快门钮时，使用电子时间电路，使CCD只通电“一个指定的时间长短”，就也能获得像有快门“瞬间打开”一样的效果。

3、电子快门简单，成本也要低得多。但是要注意，如果镜头长时间对着强光，那样通过镜头的聚焦作用，很容易烧坏后边“大敞门”的CCD器件。

4、往往袖珍卡片数码相机和其它中、低档数码相机采用电子快门，而高级家用数码机和所有的数码单反相机，都毫无例外地采用机械快门。数码单反的机械快门，实际上和它的原型胶片相机快门总成是一样的，没有很大的区别。所以使用寿命、维护都没有特殊的新要求。

注：利用了电子快门的特点，让CCD在机械快门打开的同时，受到电子快门的瞬间控制，可在低成本前提下实现特殊的要求。

34：数字工业相机与模拟工业相机的区别是什么？

数字相机大多使用并行接口标准，一个良好的标准，提供了大范围的采集速度，图像尺寸，像素深度。并行相机通常需要用户订制电缆和接头，来配合采集卡。其技术优势主要有：高速，高像素深度，大图像尺寸；容易配置相机参数和别的功能。缺点：没有物理或协议标准来接采集卡，需要定制电缆和接头，价格相对较昂贵，

模拟相机是众多应用的理想选择，因为它有成熟的技术，简单的连线，低成本。连线简单，仅需一根BNC线连接相机到采集卡，而且价格便宜。标准640x480像素分辨率，30帧/秒，满足大多数常见应用。

35：工业相机日常如何维护和保养？

1、吸力吸除法：

这种方法是利用涡轮式或活塞式的吸尘泵的吸力吸除工业相机CCD表面的灰尘，工作原理与我们家庭使用的吸尘器是一样的，因此，其存在的优缺点也是一致的。这种方法的优点在于非接触吸尘，对CCD无损伤;缺点则是此方法只对于干性浮尘有吸除作用，而对于有附着力的灰尘、油渍等却不是很有效。

2、粘性粘尘法：

这种方法是利用橡胶棒或低粘性的胶纸等来粘除工业相机CCD表面上的灰尘。这种方法操作简单，但效果一般，容易在清理后留下更难清理的胶印，造成二次污染，因此，这种方法并不太建议使用。

3、静电吸附法：

这种方法是利用具有静电的柔软刷毛吸附工业相机CCD表面的灰尘，此方法与吸力吸除法一样，具备同样的优缺点，在选择使用哪种方法时，主要看哪种工具取材方便而已。

4、纤维清洁法：

这是一种是采用质地柔软的微纤维材料，沾上发挥性清洁溶液，深入CCD内部进行清理的方法。这里所说的发挥性清洁溶液最好是浓度90%以上的纯酒精，不要使用异丙醇，异丙醇能吸收空气中的水分，清理时易在工业相机CCD表面留下液体痕迹;也最好不要使用甲醇，甲醇是一种剧毒物质。此方法的优势是无损伤、操作方便、清除可针对性、对油性灰尘有一定的效果，缺点是此方法如果使用不当，易越清越脏，适得其反。

36：什么是图像采集卡？

图像采集卡只是完整的机器视觉系统的一个部件，但是它扮演一个非常重要的角色；图像采集卡直接决定了摄像头的接口：黑白、彩色、模拟、数字等。这张采集卡的作用将摄像头与 PC连接起来。它从摄像头中获得数据（模拟信号或数字信号），然后转换成PC 能处理的信息。

37：图像采集卡都有哪些类别？

1. 根据输入信号可分为模拟图像采集卡和数字图像采集卡；

2.根据采集信号颜色可分为黑白图像采集卡和彩色图像采集卡；

38：分辨率和像素的关系？

分辨率和像素是成正比的，像素越大，分辨率越高。像素越高，最大输出的影像分辨率也越高。

39：工业相机的CCD/CMOS 芯片尺寸与图像尺寸的关系？

工业相机中的CCD/CMOS 芯片尺寸与图像尺寸关系表如下：

文章来源：机器视觉沙龙

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全面总结如何保证工业相机工作的精准与稳定？

无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确与稳定。

什么是相机标定？

在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。

在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定。

计算机视觉的基本任务之一是依据相机获取的图像信息计算三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体。我们用简单的数学模型来表达复杂的成像过程，并且求出成像的反过程。标定之后的双目相机，可以进行三维场景的重建，这是计算机视觉的一大分支。

经典的针孔相机模型

小孔成像的实验大家都很熟悉，如上图，依据这个实验也可以抽象出一个经典的针孔相机模型，如下图：

相机标定常用到四种坐标系，分别为：

1）像素坐标系（u，v）：描述物体成像后的像点在数字图像上（相片）的坐标，单位为个（像素数目）。

2）成像平面坐标系（x，y）：描述成像过程中物体从相机坐标系到图像坐标系的投影透射关系，单位为m。

3）相机坐标系（xc，yc, zc）：原点落在相机上的三维坐标系，单位为m。

4）世界坐标系（xw，yw, zw）：用户定义的三维世界的坐标系，为了描述目标物在真实世界里的位置而被引入，单位为m。

世界坐标系到相机坐标系的转换关系今天暂不讨论，我们把重点放在相机坐标系到成像平面坐标系的转换关系上。

上文中小孔成像实验的成像过程可以描述为一点通过针孔相机模型的示意图（如图A）。为了在数学上更方便描述，我们将相机坐标系和图像坐标系位置对调，变成图B所示的布置方式：

图A

图B

经过一系列推导，我们就可以得到一个结果转化公式：

透镜的畸变

透镜的畸变主要分为径向畸变和切向畸变：

径向畸变就是沿着透镜半径方向分布的畸变，产生原因是光线在远离透镜中心的地方比靠近中心的地方更加弯曲，径向畸变主要包括桶形畸变和枕形畸变两种。以下分别是枕形和桶形畸变示意图。

切向畸变是由于透镜本身与图像平面不平行而产生的，这种情况多是由于透镜被粘贴到镜头模组上的安装偏差导致。

常用的相机标定方法

常用的相机标定方法有：传统相机标定法、主动视觉相机标定方法、相机自标定法。

1）传统相机标定法

传统相机标定法需要使用尺寸已知的标定物，通过建立标定物上坐标已知的点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。根据标定物的不同可分为三维标定物和平面型标定物。传统相机标定法在标定过程中始终需要标定物，且标定物的制作精度会影响标定结果。

2）主动视觉相机标定法

基于主动视觉的相机标定法是指已知相机的某些运动信息对相机进行标定。该方法不需要标定物，但需要控制相机做某些特殊运动，利用这种运动的特殊性可以计算出相机内部参数。基于主动视觉的相机标定法的优点是算法简单，往往能够获得线性解，故鲁棒性较高，缺点是系统的成本高、实验设备昂贵、实验条件要求高，而且不适合于运动参数未知或无法控制的场合。

3）相机自标定法

相机自标定算法主要是利用场景中的一些平行或者正交的信息。其中空间平行线在相机图像平面上的交点被称为消失点，它是射影几何中一个非常重要的特征，所以很多学者研究了基于消失点的相机自标定方法。自标定方法灵活性强，可对相机进行在线定标。但由于它是基于绝对二次曲线或曲面的方法，其算法鲁棒性差。

视觉镜头基础知识

为什么需要镜头？

肉眼结构：

镜头相当于充当晶状体这一环节，简而言之，镜头主要的作用就是聚光。为什么要聚光？比如说在大晴天用放大镜生火，你会发现阳光透过放大镜聚集到一点上，也就是说，想通过一块小面积的芯片去承载这么一片区域就不得不使用镜头聚焦。

镜头内部结构

焦距

焦距是从镜头的中心点到胶平面上所形成的清晰影像之间的距离。焦距的大小决定着视角的大小， 焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。

成像的条件：焦距 < 像距 < 2倍 焦距

光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面光量的装置，它通常是在镜头内。

景深

景深（DOF），在聚焦完成后，焦点前后的范围内所呈现的清晰图像，这一前一后的距离范围，便叫做景深。

光圈、镜头、及拍摄物的距离是影响景深的重要因素。

1）光圈越大（f值），景深越浅，光圈越小（f值）景深越深。

2）焦距越长，景深越浅、反之景深越深。

3）主体越近，景深越浅，主体越远，景深越深

曝光

是指在摄影过程中进入镜头照射在感光元件上的光量，由光圈、快门、感光度的组合来控制。

视场角

视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。

一般视场角越大视野范围越大，视场角越小视野范围越小。

视场角大小因焦距而变化，焦距越近视场角越大，焦距越远视场角越小。

分辨率

分辨率代表镜头记录物体细节的能力， 以每毫米里面能够分辨黑白对线的数量为计量单位 ：“线对/ 毫米”（lp/mm）。分辨率越高的镜头成像越清晰。

数值孔径

数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率 n 与物镜孔径角的一半（a\2）的正弦值的乘积，计算公式为 N.A=n*sin a/2 。数值孔径与其它光学参数有着密切的关系， 它与分辨率成正比， 与放大率成正比。也就是说数值孔径，直接决定了镜头分辨率， 数值孔径越大，分辨率越高，否则反之。

后背焦

准确来说， 后倍焦是相机的一个参数， 指相机接口平面到芯片的距离。但在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时， 后倍焦是一个非常重要的参数，因为它直接影响镜头的配置。不同厂家的相机，哪怕接口一样也可能有不同的后倍焦。

节圈的作用

加与不加节圈都不会影响相机的焦距，焦距本身是镜头固有的属性。

相机接圈，可以增大焦平面到镜头的距离，使镜头拍摄物体的距离更近，相当于微距摄影，成像更大。

一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真对于照片的成像质量是非常不利的，但因为这是透镜的固有特性（凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线），所以无法消除，只能改善。

枕形畸变

枕形畸变（Pincushion Distortion），又称枕形失真，它是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时，最容易察觉枕形失真现象。

桶形畸变

桶形畸变（Barrel Distortion），又称桶形失真，是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。我们在使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时，最容易察觉桶形失真现象。

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。

远心镜头光路的特点是，几乎进入到镜头的光都是强反射光。

非远心镜头成像效果：

非远心镜头成像效果：

远心镜头成像效果：

远心镜头主要弥补非远心镜头的以下特点：

1、由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同；

2、镜头畸变大

3、视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变；

4、镜头的解析度不高；

5、由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。

远心和非远心各自的优点：

普通镜头优点：成本低，实用，用途广。

普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。

普通镜头应用：大物体成像。

远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。

远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。

远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学。

当检查物体遇到以下6中情况时，最好选用远心镜头：

1、当需要检测有厚度的物体时（厚度>1/10 FOV直径）；

2、需要检测不在同一平面的物体时；

3、当不清楚物体到镜头的距离究竟是多少时；

4、当需要检测带孔径、三维的物体时；

5、当需要低畸变、图像效果亮度几乎完全一致时；

6、当缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。

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