一文詳解工業相機和鏡頭選取
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01 什么是工業相機
剛入門3D視覺，第一次接觸到工業相機的時候，對，一般來說工業相機長這個樣子：
圖1 常見工業相機外觀
一問價格，至少都是大幾千，貴的在十幾萬，心里就不禁有疑問，就這么一個破相機，為啥就賣這么貴？它跟我們常見的單反相機有什么區別？我用單反相機來拍，色彩又好，成像又清晰，它不香嗎？為啥一定要用工業相機？
圖2 常見單反相機外觀
咋一看，單反相機塊頭這么大、工業相機塊頭這么小，工業相機明顯在坑人啊！誠然，由於工業相機需求量和產量的緣故，工業相機的研發、制造總成本會遠遠高過消費級單反相機，這也是它價格更為昂貴的原因，但我們這里一定要明白一個概念：工業相機，不能簡單地理解為工業上用的相機，它是有特殊用途的一類相機統稱。
特殊用途：什么叫特殊用途，比如說我們3D重建算法，對相機的畸變要求盡量小，在某些惡劣場合，需要用到IP67級防水相機、拍攝原子彈爆炸前幾微秒內原子彈內部的場景，這類專門的相機可以稱為高速相機，這些相機都可以稱為工業相機。而相反的，你認為工廠里監控攝像頭，盡管它部署在工廠里的每個角落，但你能認為它是工業相機嗎？
02 工業相機與單反相機的區別
事實上，工業相機相比較一般的單反相機，區別還是很大的，概括下來大致有以下4個方面：
1、配備專門軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK），我們可以通過代碼設置包括：曝光時間、觸發方式、圖像分辨率、成像幀率等等一系列相機參數（下面是某款相機SDK的圖像界面）。
圖3 FlyCapture SDK 采集圖像界面
2、成像精准：一般來說，工業相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通傳感器是隔行掃描的，前者生產工藝更為復雜，成品率低、出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品。此外，工業相機的畸變、色彩還原准確度往往更好，而單反相機追求的是要拍的好看。
3、穩定性和可靠性：工業相機的性能穩定可靠、易於安裝，結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下工作，這是單反相機做不到的。
例如一些工業相機被安裝在工業檢測生產線上，負責產品的視覺測量、缺陷篩查等工作，這就要求相機在流水線常年連續運轉過程中保證不出故障，否則會導致生產線停擺甚至癱瘓，這對企業來說意味着難以挽回的經濟損失。
4、特殊用途
- ·嚴苛場景：比如某些在航空上用的相機，其工作溫度范圍就要求：-40℃~85℃；
- ·像速度：拍攝汽車碰撞、原子彈爆炸的高速相機；
- ·光譜范圍：比如測量鋼爐內鐵水溫度的紅外相機；
除此之外，工業相機一般來是黑白的，主要是為了保證曝光充足、成像准確。至於價格，我認為不是區分工業相機和單反相機主要的因素，還是得看具體相機的型號，消費級市場也有大十幾萬的設備。
03 工業相機的接口
工業相機的接口主要有三種類型：
圖4 工業相機的接口[2]
- 鏡頭接口：固定相機跟鏡頭，也稱為卡口；
- 數據接口（控制）：傳輸拍攝到的相機數據（控制相機）；
- 電源接口（控制）：提供相機電源（控制相機）；
有時候，數據口和電源口也會放一起，某個接口既能提供數據傳輸又能提供相機電源，隨着時代的變化，這類即插即用的工業相機越來越普遍。
這里所謂的即插即用，並不是說插上去就能用，而是在安裝相應的驅動后，我們通過SDK可以進行調用，區別與某些接口相機需要自己去寫底層驅動以及相應圖像處理算法。
3.1 鏡頭接口
通常來說，我們買到的工業相機是不帶鏡頭的，就像下面這樣：
圖5 不帶鏡頭的工業相機
常見的工業相機鏡頭接口包括：C、CS、M42、M50、F、V、T2等等，接口類型的不同和工業相機鏡頭性能、質量並無直接關系，僅僅是接口方式不一樣，一般來說，我們也能找到各種常用接口之間的轉接口。下面簡要地介紹下這些接口。
最簡單的，你記住什么相機接口對什么相機鏡頭即可。
1）C、CS接口
相機鏡頭的C、CS接口非常相似，它們的接口直徑、螺紋間距都是一樣的，僅僅是法蘭距不同。C接口的法蘭距是17.5mm，CS接口的法蘭距是12.5mm。因此對於CS接口的相機，如果想要接入C接口的鏡頭，只需要一個5mm厚的CS-C轉換環即可。兩個接口與轉換環的實物如下所示：
圖6 工業相機C接口和CS接口實物（圖中CS接口相機已轉接為C接口）[2]
法蘭距：也叫做像場定位距離，是指機身上鏡頭卡口平面與機身曝光窗平面之間的距離，即鏡頭卡口到感光元件（一般是CMOS或CCD）之間的距離。注意，法蘭距不同，即便裝上也無法清晰對焦和成像。
2）M系列
M12接口，這個接口對應的數字12，指的是接口直徑是12mm。由於直徑較小，這類接口往往用在微小工業相機上，如無人機上搭載的相機一般用的這類鏡頭，如下所示：
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（1）M12 |
（2）M42 |
（3）M58 |
圖7 M系列接口 [2] |
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而M42、M58接口更大，往往用在大靶面的工業相機、甚至線掃相機上。這類接口直接通過螺紋連接到相機上，連接較為方便。
3）卡扣系列
對於卡扣系列，主要有兩種：佳能的EF接口和尼康的F口，這個接口也在它們家單反中使用，兩者的差別在於法蘭距不同，F口的法蘭距大於EF口，在工業相機領域，尼康的F接口也更為常見一點。實例如下：
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（1）EF接口（佳能） |
（2）F接口（尼康） |
圖8 卡扣系列接口[2] |
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4）常見鏡頭接口參數
當然還有其他接口，包括老式的PK口、施耐德V口、以及其它各種接口等，這些用的倒不多，就不一一介紹了。其實記住一句話，什么相機口對什么鏡頭口即可了，但這里還是給出常見的鏡頭接口參數，以便大家參閱：
表1 常見鏡頭接口參數[2] |
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3.2 數據+電源 接口
常見的數據、電源接口包括USB、CoaxPress、CameraLink、Gige接口等，如下所示：
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圖9 常見數據+電源 接口[3] |
它們的性能指標對比如下：
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表2 常見數據+電源接口對比[3] |
簡要地解釋一下：
- USB2.0、3.0系列：這類接口的好處是即插即用（雖然這里說是即插即用，但一般工業相機都還是要安裝驅動以及相應的SDK才能調用的），3.0的速度達到了5.0GB，但問題是傳輸的線路太短，不太適合長距離、大批量工業相機的應用場景（這在大多數化工企業中是這樣，相機安裝在工廠的各個角落，處理放在主控室）。
- IEEE1394：Apple公司推出的標准，傳輸速度介於USB2.0~3.0之間（還是比較慢的），傳輸距離達到了100m，但是其需要額外的轉接頭，因此應用也不多。
- GIGE：也就是常說的網口相機，傳輸速度雖然不高（一般來說也夠用了），但是傳輸距離遠，集成方便，配合上千兆路由器，可以實現大規模的工業相機集成，目前工業應用上最為廣泛，較為高端的工業相機也大多采用這種配置，唯一的缺點是需要額外的電源供電。
- Cameralink：一種專門的工業級視覺產品使用行業標准，傳輸速度可以達到5.44Gbit/s，往往用在之前的一些高速相機上(因為之前USB2.0、GIGE這些接口都太慢了)，但缺點是需要額外的圖像采集卡、價格貴（一條線纜1000）、而且不好用，要自己去寫相機驅動，並且不支持熱插拔（會損壞相機！）。
- 原因：使用這類接口的相機在物理上被硬生生地拆為兩部分，相機的廠商只負責相機的制造，而相應的驅動、軟件，比如說圖像的采集、處理等算法都需要你自己對CameraLink采集卡進行編程。
- CiaXPress：速度快、傳輸距離遠，獨立供電、價格也便宜，推出來用以取代Cameralink接口。這類相機需要額外的接口卡，注意，這里是接口卡！接口卡不同於采集卡，其只是相機采集到的數據的一個中轉站，不會對數據做任何處理，其直接將數據存儲在主寄存器中。
- 因為這類相機傳輸速度較快，如果將拷貝數據的工作交給CPU來做的話，CPU將會消耗大量資源.
需要說明的是，我們選取工業相機型號的時候，接口並不是傳輸速度越好越好，而是要挑合適的，殺雞焉用牛刀？那怎么選型呢？我們下一節說！
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04 鏡頭參數
4.1 焦距
1）物理焦距
對於單片凸透鏡來說，焦距通常指平行光線經凸透鏡匯聚后一點到透鏡中心的這段距離，如下所示。通常，這個距離在制造完成后就不可變的，也就是說一塊凸透鏡的焦距是不會發生變化的。
圖10 單片凸透鏡的物理焦距
但現代鏡頭通常由多片薄透鏡組成，如圖11所示:
圖11 現代相機鏡頭構成[5]
它們之間的的相對距離可以發生變化，因而物理焦距也可以隨之發生變化，這類鏡頭稱為變焦鏡頭，反之不能發生變化的是定焦鏡頭。
2）攝影焦距
市面上大多數鏡頭都是定焦鏡頭，但是我們常說調焦又是怎么回事呢？不是說定焦鏡頭嗎？定焦怎么能調焦呢？
事實上，這里我們所說的調焦，或者說對焦，其實並不說改變鏡頭的物理焦距，而是改變像距，即調整成像面和鏡頭的距離，使得CCD上能夠清晰成像，這段距離也稱為攝影焦距，簡稱焦距，如下所示：
3）調焦原因
為什么要去調整攝影焦距呢？
我們來看下面這個模型：
圖13 相機清晰成像對焦情況
對於小人頭部的A點，其從頭部發出三個方向的光線，經過鏡頭匯聚后，匯聚於成像面的A’點。那么對於A點發出其它方向的光線呢？它們也會匯聚於A點，因為鏡頭的形狀是經過專門設計的。
這里有兩點特殊：
- 同一點發出的各個方向的光線，經過鏡頭后必定匯聚於同一點；
- 同一平面上的不同點發出的光線，經過鏡頭后，匯聚於不同點；
對於這個模型，這里可以看出，如果相機鏡頭跟成像面的距離，也就是焦距不對，那么必然要進行調焦。在實際情況中，在大多數相機中，CCD是固定不動的，我們通過移動整個鏡頭離成像面的距離來完成對焦（鏡頭的物理焦距依然沒有發生改變，這也是定焦鏡頭可以調焦的原理）。
為什么改變物體距相機的距離后，我們要重新進行調焦？
原因如下：即使是同一個高度點，在不同距離上，攝影焦距也是不一樣的，因而需要調焦，示意圖如下，A1、A2的攝影焦距顯然不一樣：
圖14 不同成像距離，攝影距離不同，因而需要調焦
有人又問了，如果發生發生下面這個場景，圖像不會混疊嗎？A1、A3好像成像在同一點上，首先A3是可以清晰成像的，A1顯然不行。
圖15 不同距離、高度下光路混疊現象
其次，從理論上講，A1、A3在CCD上就是呈現為同一點，那怎么區分A1、A3點呢？拜托，動下腦子，如果有A3點，你能看到A1點嗎？
需要提的一點是，在之后的模型推導中，我們會將整個相機模型簡化為小孔成像模型，就像下圖這樣，這並不會影響我們之后公式推導的准確性。
圖16 簡化的相機小孔成像模型
對於上面的理解，這里只要求你大致了解，知道為什么需要調焦就好，因為傳統的相機光學真的是門非常復雜、高深的學問，可以講好久，在這里我跟你講的還是化簡后的相機模型。
簡單說，焦距有兩種，鏡頭的物理焦距和攝影焦距，物理焦距一般出廠后就固定了，我們調整的是攝影焦距，恰當的攝影焦距才能使圖像清晰成像。
4.2 景深
前面有個問題，我們知道頭頂平面可以清晰成像，那么鼻子的位置就不能清晰成像了嗎？
事實上，我們所謂的清晰是一個相對的概念，人眼的分辨能力有限，只要該區域足夠小，我們就認為它是清楚的。模型如下所示：
圖17 景深：相機在一段范圍內都可以認為是清晰成像的
在平面前后一定距離范圍內，從a到c，我們可以認為成像都是清晰的，這一深度范圍稱為景深。焦點附近，也就是在景深范圍內清晰，而前后方景物都比較模糊，實際的圖像如下：
圖18 景深范圍內清晰，范圍外模糊
4.3 光圈
光圈大小是用 f 值來刻畫的，意思是開了幾分之幾，影響鏡頭的進光量。光圈值為f/2.0，意思是開了1/2，常見的光圈值如下所示：
圖19 鏡頭光圈大小
光圈的大小除了影響進光量外，也會影響景深，簡單說：光圈越大，景深越小。
圖20 光圈影響景深原理圖
較大的光圈意味着更大的進光量，有利於弱光環境下拍攝，一般來說，鏡頭越亮約好，但是大光圈鏡頭也意味着景深不夠。
4.4 常見鏡頭標識
關於工業相機中常見的鏡頭標識大致如下：
圖21 鏡頭常見標識
還有一些鏡頭標識，當你看到了不認識，請百度一下！因為有時候我也會不認識上面的標志。
05 相機參數
關於相機的參數就簡單多了，下面簡要敘述：
- 分辨率
- 相機每次采集圖像水平和豎直方向的像素點數，對應於CCD水平和豎直方向排列的感光元的個數，常見的分辨率有：。
- 像元大小
- 單個像素的物理尺寸大小，一般來說，像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質量也越不容易提高。目前工業數字相機像元尺寸一般為3~4 。
- 靶面尺寸
- 通常廠家會告訴你實際CCD的靶面尺寸，其並不完全等於分辨率 像元大小，常見的相機靶面尺寸查詢http://shixinhua.com/camera/2012/06/7.html。
- 像元大小和像元數（分辨率）兩者共同決定相機靶面的大小，是此消彼長的關系，所以我們選擇相機的時候也並不是分辨率越高越好，而是挑選合適的分辨率。
- 像素深度
- 每個像素的位數，含義如下，比如說一副灰色圖像的像素深度為 8 bit，那么意味着它有 級灰度（對於三通道的彩色圖像來說，意味着 種顏色）。常見的像素深度有 8、10、12 bit。像素深度過淺，會使圖像看起來不自然。而增加像素深度可以增加測量的准確性，但是也會降低系統的速度，並且提高系統集成的難度。
- 知道了像素深度概念，你就能明白為什么大多數工業相機都是黑白相機了吧？
- 最大幀率/行頻
- 相機采集和傳輸圖像的速度，一般來說有兩種類型相機：
- 面陣相機：每秒采集的幀數（Frames/Sec）；
- 線陣相機：每秒采集的行數（HZ）；
- 曝光方式
- 線陣相機：逐行曝光，有固定行頻和外觸發同步形式；
- 面陣相機：幀曝光、場曝光、滾動曝光等形式，也提供外觸發同步形式；
- 所謂外觸發同步，指的是外部給一個信號，相機即開始拍攝圖像。
- 曝光時間
- 也稱為快門速度，指從快門打開到關閉的時間間隔，在這一段時間內，物體可以在底片上留下影像。曝光時間 快門速度共同決定了曝光量。曝光時間不能設置太長，其會增加照片的底噪，也不能設置太短，會導致曝光不足，要看需要而定：在暗光條件下，比如說拍星星，曝光時間就要設置幾個小時。而在亮光情況下，拍攝運動的汽車，曝光時間就不能設置太長，否則會行成殘影。
- 光譜響應特性
- 指傳感器對不同光波的敏感特性，一般來說，響應范圍都在350nm~1000nm間。有的相機在靶面前面會增加一個濾鏡，濾除紅外線，如果系統需要多紅外光感應，可以去除該濾鏡。
- 信噪比
- 相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值，代表了圖像的質量，圖像信噪比越高，相機性能和圖像質量越好。
06 相機和鏡頭選取
下面這些參數，主要用在相機、鏡頭選取的計算中：
- 工作距離（Working distance, WD）：鏡頭最外端到被測物體距離。
- 視場范圍（Field of View, FV）：實際拍攝到區域尺寸。
- 視場角（Angle of View, FOV）：影響理論視場范圍。
圖22 視場角和視場范圍關系
- 光學放大倍數（Magnification, B）：芯片尺寸除以視野范圍；
圖23 光學放大倍數
下面我們來講一些主要參數的選取：
1.相機
- ·CCD or CMOS
- ·CCD 提供更好的圖像質量、抗噪能力，CMOS體積更小，但噪聲會更多一點。當然，這不是絕對的，還是錢決定的。
- ·CCD尺寸
- ·有錢的話，盡量買大一點的。
- ·合適的分辨率
- ·對於視野范圍為 ，要求測量精度為 ，那么橫/豎放下的分辨率至少為 像素，通過我們不會用一個像素對應一個測量精度，一般選擇倍數為4、甚至更高，這樣相機單方向的分辨率為 ，相機的分辨率：。
這也是為什么結構光系統視野范圍大則測量精度低的原因。
- ·足夠的相機幀率
- ·當被測物體有運動要求，相機的幀率不能太低，對於一些高速運動的物體，可以選擇
2.鏡頭
- ·鏡頭接口：
- 跟相機接口匹配，也可以外加轉換口后匹配，並且鏡頭可支持的最大CCD尺寸應大於選配相機CCD尺寸大小。
- ·鏡頭焦距
- 根據相機CCD尺寸、工作距離、視場大小（物體的高/寬）計算所需鏡頭的焦距，如下：
- 圖24 根據CCD尺寸、工作距離、視場大小計算所需的鏡頭焦距
- ·鏡頭光圈范圍
- 光圈大小決定圖像亮度，在拍攝高速運動物體、曝光時間很短的應用中，應選用大光圈鏡頭以提高圖像亮度。
07 附錄
1、FlyCapture2工業相機使用說明書：在公眾號「3D視覺工坊」，后台回復「工業相機」，即可直接下載。
2、圖像傳感器報告摘要
鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/137375626
參考鏈接
[1]工業相機與單反相機的區別 <知乎，微光啟明，國防科技大學，工學博士>：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95829433
[2]工業相機鏡頭接口類型 <知乎，微光啟明，國防科技大學，工學博士>：https://zhuanlan.zhihu.com/p/100984490
[3]工業相機數據接口標准 <電子發燒友，judyzhong>：http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20171117581055.html
[4]工業相機和鏡頭主要參數 <CSDN，非凡初來乍到>：https://blog.csdn.net/qq_38241538/article/details/84106969
[5]相機鏡頭工作原理圖解<Paincker,學習思考>：https://www.paincker.com/how-the-lens-works
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