视觉-相机、镜头选择

成像系统模型

机器视觉成像系统中的相关参数

视场：摄像头能观测到的最大范围
工作距离：镜头的下端到物体表面的距离
景深：是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围
传感器尺寸
像素分辨率：检测目标所需要的像素数

相机分辨率

Rmin最小像素分辨率
Lmax检测目标最大长度
Lmin检测目标最小特征长度（系统分辨率）
Pmin最小特征像素数（无特别要求时，Pmin=2）
/ 常以视场（FOV）代替目标最大长度Lmax计算视觉系统的像素分辨率。

[FOVh,FOVw]纵向与横向的视场大小。
[Lh,Lw]检测目标的最小特征。

透镜成像高斯公式

f透镜焦距
u物距
v像距

透镜的放大率M

镜头到检测目标的距离（工作距离，物距）相对于焦距可近似为无穷远，像距可近似为焦距，据此简化镜头模型：

S传感器平面在某个方向上的长度

成像系统简化模型的参数约束关系：

镜头

镜头技术参数

镜头分辨率：空间极限分辨能力
焦距
最小工作距离
最大像面
视场/视场角
景深
光圈
相对孔径
安装接口类型

镜头分辨率

正弦光栅中一对相邻黑线和白线称为一个线对，它所占的长度即正弦光栅的空间周期，单位毫米。其倒数即正弦光栅的空间周期，单位线对/毫米。
正弦光栅中每个线对至少要用两个像素表示，可通过像素物理大小计算相机空间分辨率：

系统空间分辨率取镜头与相机空间分辨率的最小值

视场角

远距离成像时，镜头成像范围以视场角表示，近距离成像时，以实际物面直径（幅面）表示。

2ω视场角

为避免渐晕，需要镜头可支持传感器尺寸大于等于相机的传感器尺寸。

景深

光圈越大（光圈F值越小）进入镜头的光量越小，所生成图像的亮度越弱，景深越小。
镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。
工作距离越大，景深越大；工作距离越小，景深越小。

远心镜头相对普通镜头，有较大的景深，而且可以保证景深范围内任意物距具有相同的放大倍率。

远心镜头一般体积较大、价格高、而且工作时要保证被测目标小于镜头直径。

接口

常见的镜头接口标准有C、CS、F。
C接口背焦距17.625mmCS接口的镜头背焦距12.5mm，C接口的镜头加一个5mm的扩展器可以得到CS接口的镜头。
C接口的镜头与C接口的3CCD相机不能协同工作。

相机

常用接口

相机设置

相机触发/同步设置
通常用于多个相机从不同角度拍摄监测目标
触发指相机对外部事件的及时响应。
异步触发时，相机时钟由采集卡提供
同步触发指相机视频信号的行、场、帧及采集信号所用的像素时钟的同步。
同步有内同步、外同步、电源同步。
内同步指由相机的内部电路为视频信号提供同步信号的方式。各相机之间的视频信号无影响。
外同步指由外部信号源提供同步信号。外部信号源可以是一个相机的视频输出、独步的同步信号发生器或图像采集卡提供的TTL电平信号。
电源同步指由电源周波完成信号同步。

同步要求不高时，可以使用相机输出的视频信号作为同步信号源；要求同步信号精确时可以使用外部同步发生器。
在用采集卡做同步输出信号源时，需要注意负载驱动能力。
常见同步有垂直锁定和全锁定。垂直锁定只对齐到相机视频信号各帧，全锁定会同步视频信号水平、垂直、奇数、偶数场、色彩等。

伽马校正
常用于监控系统，在机器视觉系统中作用要小一些。
伽马校正是针对传统显示器显示非线性特点提出的，伽马校正的目的是补偿非线性的影响。
伽马校正值为1时，输出单元以线性模式工作；伽马校正值0.45时。表明输出更强调中间灰度级。

曝光时间
在照明情况不好时，延长曝光时间。
视频标准通常规定最小快门速度（1/50,1/60s），观测运动目标时这个时间还要更短一些。

增益控制
用于放大信号。自动增益常用于监控系统。手动模式常用于机器视觉，用于按照指定条件设置增益。
最大增益通常1:10或1：20

长时间积分
增益不能满足信号放大需求时使用。
延长积分时间，噪声也会随之增加

相机/镜头选择流程

1 确认需求
实际检测视野范围（被测物图像占画幅的75%-80%）
最小特征尺寸
确定工作距离
2 计算相机分辨率
（在满足精度的情况下，可以优先选择小传感器的相机）
3 确定相机的输出方式及标准（模拟/数字，速率，色彩等）
确定相机的物理接口及电器接口
确定相机的其他性能指标

在使用面阵相机拍摄快速运动的物体时，需要保证相机曝光能在被测目标位移不到一像素所表征的特征大小的时间内完成。

相机输出的信号直接传给视频显示器–用模拟相机
相机获取的图像传给计算机处理–模拟/数字相机（与图像采集卡接口一致）
4 计算镜头焦距

S: 芯片尺寸
WD：工作距离
FOV：视野范围
5 选择空间分辨率大于相机的镜头
6 按需选择镜头的景深、畸变、接口等