硬件之相机选型

1. 相机成像原理

? ? ? ? 相机成像原理如图所示：

注：

1. 当物距为无穷远时，像距等于焦距，成像在焦平面上；
2. 当物距为无穷无与两倍焦距之间时，像距在焦距与两倍焦距之间，成缩小的实像；
3. 当物距等于两倍焦距时，像距与物距相等，此时物像等大；
4. 当物距小于两倍焦距并大于焦距时，像距大于两倍焦距，成放大的实像；
5. 当物距等于焦距时，像距为无穷大，物上的光线经透镜后为平行光线，不成像；
6. 当物距小于焦距时，像距为负值，即在物的同侧成虚像。

2. 相机参数说明

2.1 感光芯片

1. 快门（控制曝光时间）
   ? ? ? ? 常见的电子快门的方式有全局快门(Global shutter)和卷帘快门(rolling shutter)两种，
   全局快门是曝光时，传感器上所有像素在同一时刻开启曝光并在同一时刻曝光结束，将物体某时刻的状态成像，对运动物体而言类似将运动物体冻结了，所以适合拍摄高速运动的物体。卷帘快门是逐行顺序开启曝光，不同行间曝光的开启时刻有个很小的延迟，所以不适合运动物体的拍摄，包括飞拍。
   ? ? ? ? 如果相机的曝光时间过长，就会使速度快的运动物体变模糊。对于运动物体来说，快门时间越短，所获取的图像越精确，即越不模糊，但过短的曝光时间会需要光照强度大大提高，给光照技术带来很大的困难，所以应选择合适的快门时间。

2. 曝光
   ? ? ? ??工业相机工作过程中曝光(Exposure)是图像传感器进行感光的过程。在曝光过程中,CCD/CMOS收集光子并转换成电荷，也就是电荷的积累。曝光时间是指相机从快门打开到关闭的时间间隔，曝光时间短，电荷积累的就少;曝光结束后,CCD/CMOS通过一定的方式将电荷移出，从光曝光对照片质量的影响很大,如果曝光过度,则照片过亮,失去图像细节;如果曝光不足,则照片过暗,同样会失去图像细节。控制曝光就是控制总的光通量,也就是曝光过程中到达CCD/CMOS表面的光子的总和。 在不过曝的前提下，增加曝光时间可以增加信噪比，使图像清晰。当然，对于很弱的信号，曝光也不能无限增加，因为随着曝光时间的增加，噪音也会积累， 曝光补偿就是增加拍摄时的曝光量。总之，曝光即曝光时间控制，控制感光元件上总的光通量。曝光越大，光通量越大。
   影响曝光的因素有三个:
   ①光圈。快门速度和光圈大小是互补的。比如，为了获得合适的亮度，需要对两者进行联动调节，可采用高速快门配合大光圈以得到一定亮度，同样也可采用低速快门配合小光圈来获得同样的亮度。
   ②光圈控制光线进入的通路的大小，光圈越大,则单位时间的光通量越大，光圈越小，则单位时间的光通量越小。
   ③曝光时间。也就是快门速度。

3. 增益
   ? ? ? ??增益一般只是在信号弱，但不想增加曝光时间的情况下使用，一般相机增益都产生很大噪音。曝光时间短，CCD/CMOS上电荷的积累就少，这时候就需要增益加强；反之，增益要减弱。
   总结：增益控制感光灵敏度，高增益代表高灵敏度，对低光照越灵敏，可以增加昏暗图像的亮度和对比度，提高成像质量。但同时也会对噪声进行发大，降低信噪比。
   

4. 感光芯片类型：CCD芯片和CMOS芯片
   ? ? ? ? CCD（电荷耦合器件）芯片和CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片都将光信号（光子）转换成电子信号（电子）。这两种芯片的主要差异在于其底层技术设置。
   ? ? ? ? 如果拍摄目标是静态不动的，为了节约成本，可使用考虑CMOS相机，而如果目标是运动的，则优先考虑CCD相机。如果是需要高速采集的，这里指的高速是很高的采集速度，而非指很高的运动速度，可以考虑CMOS相机，因为CMOS的采集速度会优于CCD。如果需要高质量的图像，如进行尺寸测量，可以考虑CCD，在小尺寸的传感器里，CCD的成像质量还是要优于CMOS的。

5. 感光芯片尺寸（靶面尺寸）
   ? ? ? ?描述放大倍率及镜头像面尺寸时，都会涉及到工业相机芯片，通常相机厂商用英寸来计量相机芯片尺寸，但在实际计算过程中，我们需要将芯片各边长度的单位换算成mm。
   ? ? ? ?因为同样标注的靶面大小，长宽比也可能会不一样，所以我们在看到相机靶面型号时，需要手动计算一下靶面的宽高：
   
   ? ? ? ?

6. 分辨率
   ? ? ? ? 相机的传感器sensor是有许多像素点按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像素来表示的。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。
   ? ? ? ? 例如：一个相机的分辨率是1280(H) × 1024(V)，表示每行的像元数量是1280，每列的像元数量是1024，此相机的分辨率是130万像素。在对同样大小的视场成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。常用的工业面阵相机分辨率有：
   ? ? ? ? 640 *480 —— 30万像素；1280 *960 —— 130万像素；1440 *1080 —— 160万像素；
   ? ? ? ? 1600 *1200 —— 200万像素；1920 *1080 —— 300万像素；2590 *1940 —— 500万像素等。
   ? ? ? ? 对于线阵相机而言，分辨率就是传感器水平方向上的像素数，常见有1K、2K、6K等。
   ? ? ? ? 在相机分辨率的选型上，要根据我们的项目需求而定，并不一定是分辨率越高就越好，分辨率高带来的图像数据量就大，后期的算法处理复杂度就高，而且一般分辨率大的相机，帧率一般都不会太高。

7. 像元/像素尺寸：像元尺寸就是每个像素的面积。单个像素面积小，单位面积内的像素数量多，相机的分辨率增加，有利于对细小缺陷的检测和增大检测视场。随着像素面积的缩小，满阱能力（每个像素能够储存的电荷数量）也随之减小，造成相机动态范围的降低。
   像元尺寸 = 感光器芯片尺寸 / 像素个数(分辨率)。例如，相机感光芯片尺寸为：5 mm x 3.7 mm，分辨率为1440 px * 1080 px，则相机的像元尺寸为(5/1440) x (3.7/1080)mm = 3.45 μm x 3.45 μm。

8. 帧率
   ? ? ? ? 帧率是用于测量显示帧数的量度。所谓的测量单位为每秒显示帧数，简称：FPS或“赫兹”（Hz） 。相机的帧率决定着设备的测量效率，如相机的帧率是30FPS，则每秒钟最多拍摄30次。而如果相机的速度是120FPS，如果算法够快，那么每秒钟最多检测120个产品。换句话说也就是相机的帧率影响相机拍照出图的快慢，飞拍高速运行，一般需要高帧率相机。

2.2 相机数据

1. 相机常用接口
   GIGE千兆网接口（√）：
   千兆网接口的工业相机，是近几年市场应用的重点。使用方便，连接到千兆网卡上，即能正常工作。设置好巨型帧参数，可以达到更理想的效果。可多台同时使用，CPU占用率小。
   USB3.0接口（√）：?速度快但距离短，理论速度极限大约为500MB/s，但是其传输距离短，超过3米就要用质量很高的线，超过5米，基本就不能使用了。
   USB2.0接口：?这个优点也就是成本低了，但是速度慢而且不稳定。之前用过2.0接口的相机，在Linux下运动拍摄时，没有规律的就断了，驱动和软件都检查了挺长时间， 后来猜测是端口供电和传输限制之类的问题，果然换个新配的电脑就没问题了。而且也听专业人士说过2.0相机的稳定性问题，静态拍摄应该会好一点。
   Camera Link接口：?速度超快，大约是USB3.0的两倍，而且高像素下支持的帧率更快，但是要额外购买图像采集卡，基本要1w左右，成本是个问题。

2. 像素位深/深度
   像素深度是指每个像素用多少比特位表示。通常，每个像素的比特位数多，表达图像细节的能力强，这个像素的颜色值更加丰富、分的更细，颜色深度就更深。一般像素深度有1位、8位、16位、24位和32位。
   1位像素深度就是有二进制来表示，也叫单色显示。
   8位像素深度是最常见的，用8个二进制位来表示颜色，能表示256种颜色，这种就是常说的灰度显示。
   16位是用16个二进制位来表示，能表示65536种颜色，这时就可以彩色显示啦。
   24位和31位则表达的颜色信息就会更加的丰富。
   分辨率和像素深度共同决定了图像的内参大小。例如，对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M（1024bit=1KB，1024KB=1M）。增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

3. 和镜头的接口：在选型时一定要考虑相机与镜头的接口对应问题，相机与镜头的接口必须保证一致，不然就无法安装。C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。因此CS型接口的工业相机使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈。C型接口的工业相机不能用CS口的镜头。
   F接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业工业相机中常用的类型，一般工业相机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。
   V接口镜头是著名的专业镜头品牌Schneider(施奈德)镜头所主要使用的标准，一般也用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头。

4. 白平衡：平衡RGB三个通道的亮度值，使图像达到一个比较好的亮度情况，当打光不太好的时候，使用白平衡，可以改善图像亮度不均匀情况，对应halcon算子是equ_hiso_image——直方图均衡化

5. 拖影：拍摄运动图像时，同一物体，在图片上重复成像的现象。
   
   如何计算曝光时间，保证运动物体不产生拖影：
   在拍摄高速运动物体的场合，选择帧曝光的相机后，还需要计算相机的曝光时间，以使图像不产生拖影，理论的计算原则是：运动物体在相机芯片上所成的像，在曝光时间内，移动的距离不超过一个像元尺寸。
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   例如：物体运动速度是150mm/s，沿芯片水平方向运动，相机是1/2”芯片（6.4mm×4.8mm），分辨率为1280*1024
   ? ? ? ?视场水平方向长度是20mm，像元尺寸是4.8μm，计算成像时不产生拖影的曝光时间。
   ? ? ? ?首先计算出像的运动速度，放大倍数为6.4mm/20mm=0.32，所以像的运动速度是0.32×150 mm/s=48mm/s；
   ? ? ? ?根据计算原则，（曝光时间）×48mm/s=4.8μm，所以曝光时间为0.0001s，曝光时间设置为100μs即可。

6. 相机的触发方式：包括连续采集模式，软件触发（软件控制）、硬件触发（传感器/机械开关控制）。