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一、相…背景
最近需要优于项目需求需要对工业相机和镜头进行选型于是我就开启的学习相机之旅虽然我一直在做机器视觉方向但是我对相机的了解还是很少我想正好趁这次机会好好学习一下。如果有错误的观点请指正。
一、相机相关的一些指标
1. 靶面尺寸 相机的靶面尺寸就是用于接收光信号的传感器的尺寸业界规定在描述靶面尺寸时1英寸16毫米当然实际情况下1英寸25.4mm。相机的靶面尺寸是用靶面对角线的长度与16mm的比值表示的如对角线为4mm的靶面尺寸为1/4”然后根据4:3的长边短边比利用勾股定理就可以计算出靶面的边长。在其他条件一致的情况下相机的靶面尺寸越大则可获得的视野范围越大。 图1. 相机靶面尺寸
2. 像元尺寸 像元就是传感器上的感光单元这些感光单元可以把光信号转换为电信号。如像元尺寸为4.8um*4.8um。像元有方形的也有长方形的。
3. 相机分辨率 分辨率就是相机的传感器上即感光靶面上横向和竖向各有多少个感光单元像元。当然“靶面尺寸”“像元尺寸”和“分辨率”三者之间是有联系的比如我们已经知道了“像元尺寸”和“分辨率”那么我们就可以直接计算出相机靶面的长和宽出来如“分辨率”为2592*2048“像元尺寸”为4.8um那么靶面长2596*0.004812.44mm靶面宽2048*0.0048 9.83mm这与在图1中靶面尺寸为1”的长边和宽边的长度有些出入这主要是近似的缘故。
4. 镜头分辨率 什么是传递函数又叫MTF什么是极限空间分辨率 简单来说MTF是空间分辨率的一种表达方式单位线对/mm。每个光学或者光电成像器件都有各自的MTF镜头有MTF相机也有MTF。光学器件或者光电成像器件的MTF越好或者MTF对应的空间截止频率越高证明器件自身的空间分辨率越好越能看清楚更小的细节。MTF对应的空间截止频率又叫极限空间分辨率。 镜头中的百万像素二百万像素五百万像素是指什么 其实镜头中的百万像素二百万像素五百万像素同样是指镜头的空间分辨率因为镜头必须配合相机使用为了方便记忆镜头和相机的匹配关系人们常采用对应的相机的分辨率来命名镜头这种命名方式其实是不科学的同时给新接触视觉系统的人带来很多误解经常或机械的套用百万像素分辨率相机对应百万像素分辨率镜头二百万像素分辨率相机对应二百万像素分辨率镜头五百万像素分辨率相机对应五百万像素分辨率镜头。其实镜头与相机对应的不是相机本身的像素分辨率像素数而是各自的极限空间分辨率。按照目前公开的性能指标来说百万像素镜头对应的极限空间分辨率为90线对/mm二百万像素镜头对应的极限空间分辨率为110线对/mm五百万像素镜头对应的极限空间分辨率为160线对/mm因此百万像素镜头配合相机的极限空间分辨率必须低于90线对/mm 二百万像素镜头配合相机的极限空间分辨率必须低于110线对/mm五百万像素镜头配合相机的极限空间分辨率必须低于160线对/mm。而决定相机极限空间分辨率的并不是相机自身的像素分辨率而是相机的单个像元尺寸大小。 相机的极限空间分辨率 相机的极限空间分辨率代表了相机能够分辨的空间最小细节其计算公式可以理解为1/(单个像元尺寸*2)单位线对/mm。为啥需要在像元尺寸上乘以2呢这是因为两个像元才对应一对黑白条如下图所示。 图2. 两个像元对应一对黑白条 相机和镜头的配套原则 镜头的极限空间分辨率必须高于相机的极限空间分辨率这样才能让相机实现最佳成像性能。
二、项目中如何根据实际需要选择合适的相机和镜头呢
1. 相机输出接口选择USB3.0还是GIGE千兆网 同等像素条件下各种接口的总线其相机帧率是不一样的一般来说Camera LinkUSB3GIGE1394BUSB2,1394A。现在最快的是Camera Link总线USB3的理论速度达到了5Gbps即640MB实际表现来看应该有80%的有效带宽即有512M左右的总带宽可供实际传输这样如果一个500万像素的相机每幅图像5M那么也可能达到100帧每秒速度也非常快了。而对于GIGE千兆网相机500万像素的相机较快的可以做到23FPS。1394B的500万像素相机可以做到13FPSUSB21394A一般为5~6帧的样子。除了考虑两者的传输速率还要考虑两者的工作距离通常情况下USB3.0的工作距离为5米以内GIGE千兆网接口的工作距离为100米以内。根据下表对比USB3.0和GIGE接口的特点选择适合自己的接口形式。
表1. USB3.0和GIGE对比 带宽 理论下载速度 实际下载速度 500万图像传输帧率 优点 缺点 USB3.0接口 5Gbps 640MB 约512MB 约100fps 1. 帧率高2. 不需要单独供电 1. 工作距离近通常在5m内。2. 占用CPU内存。3.电脑端无卡扣容易被扯掉 GIGE接口 1KMbps 128MB 约100MB 约20fps 1. 传输距离远通常在100m以内。2. 不占用CPU内存。3. 两头有卡扣确保连接稳定。 1. 帧率没有USB3.0高。2. 需要单独供电。 2. 选择图像分辨率和帧率 第一步中的选择其实是确定了总的带宽然后根据我们对帧率的需求来确定分辨率倘若我们要求帧率为20帧如果选用GIGE接口那么一帧图像的大小不超过5M也就是一帧图像分辨率为500万左右如果选择USB3.0接口相同的帧率那么一帧图像的大小可以放宽到25M也就是不超过2500万像素。如果你想要得到更高的帧率那就不得不降低分辨率。如果你想帧率和分辨率都很高那么就选择传输速率较高的USB3.0接口形式但是要考虑5米以内的工作距离是否满足需求。
3. 确定分辨率 根据第二步我们可以确定我们可选的分辨率大小当然我们希望分辨率越大越好所以在允许的范围内我们要选择分辨率最大的。如果已经确定接口是GIGE接口帧率为20帧分辨率为500万像素然后就是选择实际的分辨率假设实际测试场地为5000*4000长宽比为1.25所以我们在选择的时候也尽量选择分辨率的长宽比接近1.25的相机如之前选择的2592*2048为530万像素的相机长宽比为1.266与1.25较为接近。那么这时达到的精度差不多为2mm/pixel。如果要提高精度要不然就提高分辨率那样帧率势必要降低要不然就换成USB3.0输出接口。
4. 选择相机靶面尺寸 在候选的相机中我们要选择靶面尺寸更大的相机如有2/3和1“的可供选择那么我们就选择后者靶面尺寸大相对应的得到的视场范围也就越大。
5. 选择相机颜色 在没有彩色图像分析需求时我们要选择黑白相机因为黑白相机使用单色光源成像质量要比彩色相机使用复合白光的质量要好。
6. 选择相机的曝光时间 目标的运动速度对相机的最小曝光时间提出了要求如果目标运动速度为300mm/s, 我们的测量精度为1mm/pixel那么我们必须考虑物体的运动引起的拖影必须要小于我们的精度1mm目标移动1mm需要3.3ms这就要求我们的相机的曝光时间必须小于3.3ms, 其实我们工业相机最快曝光时间可达几十到一百多微秒的样子所以完全可以满足我的精度需求。
7. 选择传感器类型 如果拍摄的目标是静止不动的为了节约成本可以考虑使用CMOS相机而如果目标是运动的则优先考虑CCD相机如果需要高速采集这里的高速是指很高的采集速度而不是目标物体的运动速度可以考虑CMOS相机因为CMOS相机的采集速度要优于CCD相机如果需要高质量的图像如进行尺寸测量可以考虑CCD相机在小尺寸的传感器中CCD的成像质量优于CMOS。
8. 计算镜头焦距
经过上面的指标基本上可以确定相机然后就要选择镜头首先我们要根据相机的靶面尺寸实际测试中的工作距离和视野范围来计算焦距。焦距f 工作距离(WD)*靶面尺寸H or V/视野范围H or V。在选择镜头时要考虑镜头的相面大小与相机的感光面大小是否兼容遵循“大的服从小的”原则即镜头的相面大小不得小于相机感光面大小否则边缘视场的像质不保。选择的镜头的接口要与相机接口一致。一般来说相机的成像质量要和镜头的成像质量相对应差异不能太大。镜头再好机身传感器的分辨率上不去其优质的取景能力也表现不出来机身画幅和分辨率再高镜头画质不给力也捕获不到优秀的画质。倘若选择的相机的像元尺寸为4.8um*4.8um先计算相机的极限空间分辨率为1/(0.0048*2) 104线对/mm那么我们选择镜头时要挑选那些空间分辨率不低于104线对/mm的镜头也就是选择二百万像素的镜头空间分辨率为110线对/mm就可以了。倘若选择的相机的像元尺寸为3.45um*3.45um那相机对应的空间分辨率为1/0.00345*2 145线对/mm那么此时我们就应该选择500万像素分辨率的镜头了对应的空间分辨率为160线对/mm当然还要考虑相机和镜头靶面尺寸的匹配。
三、实例分析
表2. 数据罗列 指标 数据/mm 实际场景 视野范围H 5000 视野范围V 4000 工作距离 3200 相机参数 靶面尺寸 1 像元尺寸 4.8um*4.8um 分辨率 2592*2048 最大帧率 22 颜色 黑白 输出接口 GIGE 镜头接口 C-Mount 镜头参数 焦距 6mm 最大像面 1 镜头分辨率 1200万 视场角H(度) 95.4 视场角V(度) 78.4 镜头接口 C-Mount
下面是之前选的海康的工业相机千兆网接口1 500万分辨率帧率不高于22帧为了达到更大的视野所以优先选择大靶面的。 图3. 选择的海康工业相机
确定相机后根据相机的靶面尺寸工作距离视野范围来计算所需镜头的焦距。
焦距f 工作距离WD*靶面尺寸H or V)/视野范围H or V 3200*12.8/5000 8.19所以安全起见我们需要选择焦距小于8的镜头所以我决定选6mm焦距的镜头。
关于镜头的选择首先焦距要选符合我们项目需求的如上面计算的6mm, 其次就是要尽可能保证镜头对应的靶面尺寸与相机的靶面尺寸兼容如下面第一幅图中该6mm焦距的镜头就兼容1”和2/3的靶面尺寸。我们在选选择镜头时单从靶面尺寸这个指标来看所选镜头的靶面尺寸要大于或者等于相机的靶面尺寸但是绝不能小于否则相机的视野就被镜头给限制了。除了要看镜头的焦距靶面尺寸还要看镜头的分辨率关于镜头的分辨率这快我还有不少困惑但是选择的思路是在保证镜头的焦距和靶面尺寸满足需求的前提下一定要确保镜头的分辨率要高于相机的分辨率这样可以把相机和镜头的潜力都发挥出来但是如果镜头的分辨率太低那再好的相机高质量的成像效果也得不到了但是也不需要无限的高否则镜头的分辨率又被浪费了。
我问了镜头1的客服他这款镜头的分辨率也是1200万的但是为啥不在表格中标识出来呢
表3. 选取的镜头1的指标 在镜头4的指标表格中标识了镜头的分辨率为1200万这里并没有使用镜头的空间分辨率lp/mm来表示大概是表示成与相机分辨率一致的形式便于买家理解吧。
标4. 选取的镜头2的指标 参考文献
1. http://www.skcircle.com/?id1217
2. https://mp.weixin.qq.com/s/K1TtIH8EJcZxHVRrsIN4qQ
3. https://blog.csdn.net/qq_27923041/article/details/106858708
4. http://www.skcircle.com/?id1193
相机镜头购买链接
1. https://item.taobao.com/item.htm?spma1z0d.6639537.1997196601.86.119e7484FcxYWyid613134277199
2. https://detail.tmall.com/item.htm?spma1z0d.6639537.1997196601.13.119e7484FcxYWyid610617969641
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