视觉测量技术—相机与镜头选型

相机与镜头选型

摄像机作为视觉测量中图像检测与目标跟踪的核心部件，通过图像传感器获得实时图像，使用过程中需要结合具体测量需求，选取参数，规格相符的摄像机与光学镜头，以达到较优的成像和测量效果。

一、相机选型

目前机器视觉市场上有两种用于工业相机的图像芯片： CCD芯片和CMOS芯片 。两种类型芯片都将光线转换成电子信号，这两种芯片的主要差异在于其底层技术设置，可根据指定相机的实际用途，从两种芯片技术中选择最适合的一种。近年来，CMOS芯片技术已取得巨大进步，在多方面已超越CCD，具有高速度（帧速率）、高分辨率（像素数）、低功耗以及最新改良的噪声指数、量子效率及色彩观念等各方面优势。相机有多个特性参数，下面对于视觉测量至关重要的几个参数进行分析，为选型提供参考。

1、成像色彩
黑白摄像机：灰度图像，直接将光强信号转换成图像灰度值。彩色摄像机：彩色图像，获得红、绿、蓝三个分量的光信号。如果对图像色彩没有要求，尽量使用黑白摄像机，成像效果更佳，便于图像处理。

2、分辨率
单方向分辨率：像素数量=视野范围/理论精度
计算结果代表理论精度占一个像素，这是是基本要求，为了达到更好的测量效果，一般选择两个或者以上像素，综合数据量问题，选取合适规格，相机分辨率=像素数量（H）×像素数量（V）。

3、像素尺寸
像素尺寸是指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，越小的像素尺寸制造难度越大，同时图像质量也越不容易提高，通常工业相机的像素尺寸在3um—14um之间，例如常用尺寸包括：3.45um，6.45um，7um，9um，10um，14um
等。明显地，相机的靶面尺寸就由分辨率和像元尺寸决定。

二、镜头选型

1、焦距
焦距是指镜头光学后主点到焦点的距离，即镜头中心到成像平面的距离，焦距的大小决定着视角的大小，焦距小，视角大，所观察的范围大。常见的镜头有：8mm，15mm，24mm，28mm，35mm，50mm等。焦距的计算方式为

$f_1=\cfrac {vL}V\\f_2=\cfrac {hL}H\tag{1}$

实际情况中可能 $f_1$ 与 $f_2$ 不同，应该选取较小的，保证拥有更大的视场。

2、视场角
视场角用来衡量镜头的成像范围，应用前需要根据应用情况估算视场大小，
水平视场角 $\alpha$ 和竖直视场角 $\beta$ 分别为
$\alpha=2\arctan{\cfrac h {2f}}\\\beta=2\arctan{\cfrac v {2f}}\tag{2}$

3、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，光圈大小用 $F$/数值 表示。 $F$ 后面的数值越小，光圈越大，而进光量也就越多；反之，则越小。简单的说，在快门速度（曝光速度）不变的情况下，光圈F数值越小光圈就越大，进光量越多，画面比较亮；
$F$ 计算方式为
$光圈（F）=\cfrac {镜头焦距（f）} {通光孔径（D）}\tag{3}$

4、景深
景深是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。景深随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化。选取相机镜头时，结合实际所需工作距离进行确定。

三、总结

除此上述提及参数以外，相机和镜头还有一些其他参数。相机：曝光时间：快门打开所需时间；速度：每秒钟传输图像数量；光谱效应：相机对于外界光线的响应能力；光学接口：相机与镜头之间接口等。镜头：还有放大倍率，接口，像质等参数。对于有特殊要求的项目来说需要考虑更多，结合具体要求进行选取。此外，相机与镜头选取时，需要注意相机尺寸与镜头像面尺寸匹配的问题，也就是说，一定要保证镜头的像面尺寸大于（等于）传感器尺寸。