摄像机和镜头的基础知识

 搭建常识     |      2018-04-22 16:28

1. 相机基础知识

按感光器件类型可分为2大类,CCD器件和CMOS器件

 

 
CCD
CMOS
设计
单一感光器,集中统一放大
每个感光器连接放大器
灵敏度
同样面积下,感光开口小
灵敏度底
成本
线路品质影响程度高,成本高
CMOS整合集成,成本低
解析度
连接复杂度低,解析度高
新技术解析度高
噪点比
单一放大,噪声低
放大器多,特性不一致,噪点高
功耗比
需外加电压,功耗高
直接放大,功耗低

 

按用处分类可分为视觉相机和安防监控相机两大类

 

 
机器视觉
安防监控
触发采集模式
含有触发采集接口
无触发采集接口
分辨率
从高到低都有, 很丰富
一般较低
程序接口
有完善的程序开发库, 尤其对图像捕捉功能支持很齐全
一般只有连续视频捕捉功能
价格
很便宜
数据传输接口
各种类型都有: USB, 千兆以太网, Cameralink, 1394
目前以模拟接口为主, 数字接口较少

 

按感光单元排列方法分为线阵扫描相机和面阵扫描相机

 

 
线阵相机
面阵相机
结构特点
结构简单, 在同等分辨率下的成本较低
结构复杂,在同等条件下成本高
应用场合
匀速运动的物体,如工业流水线
可以使静止的, 也可以是运动的
分辨率
512, 2K, 4K/行

640x480, 800x600, 1024x768, ...2048x1536或者更高

光源
光源只需要一窄条,这个画面比较均匀, 能在低照度下工作
整个面的光源较难做到均匀,照度要求高
彩色相机形式
三线CCD,或者棱镜分光
彩色滤光膜, bayer算法

 

按彩色形成方式:

 

 

2: 镜头基础知识

镜头外形

机器视觉常用定焦镜头,并且都是手动调整光圈,一般不允许自动调整光圈,镜头上有调焦和调光圈两个环,为了防止误碰动

,工业镜头的两个环都有锁定螺丝。

注意调焦环不是用来调整焦距,而是调整像距,保证清晰图像落在焦平面上

常用镜头参数:焦距

焦距是镜头最常用的参数,我们包装检测系列产品中使用的镜头有3.5mm,4mm,6mm,8mm,12mm等多种规格(1/3CCD的标准镜头为8mm)

除杂系列产品一般都使用28mm的广角镜头(线扫描相机的标准镜头大概是40mm左右)

焦距越小的镜头越不好做,价格越高,边缘变形等问题越大,所以尽量选用标准镜头,性价比最高

常用镜头参数:光圈

 

光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面的光量的装置

              光圈f值 镜头的焦距 镜头口径的直径

根据公式,光圈f值愈小,在同一单位时间内的进光量便愈多 ,每级光圈一般以倍数递增,例如f8调整到f5.6 ,进光量多一倍

 

光圈越小,景深越大

(上图右边的两张照片,由于光圈的改变,虽然人物没有什么差别,但是后面的房子清晰度不一样。由于光圈开得很大,导致景深低,即在这个景深范围内的物体都是清晰的,所以第一个图房子不清晰。第二个光圈开得小,导致景深大,即在这个景深范围内的物体都是清晰的,所以第二个图房子很清晰)

增加景深的问题

在我们的产品里,往往要求加大景深,例如除杂机里,烟叶不完全在同一个平面上,只有加大景深才能让不同距离上的烟叶都清晰。

加大景深只有通过缩小光圈来实现,而缩小光圈同时会导致图像变暗,这就要求照明亮度要提高【这就是光圈变大可以增加亮度,和,提高光源的亮度的区别。】

【解释(1):

我说简单一下通俗一点吧,你可以这样理解.
同样一个30W的灯泡点亮后放在5米处,我估记你可以看到8米处的东西,
我现在将这个灯放到你眼前1米处,那么你将看不清8米处的东西.

光圈开大了,也就是成像那个小孔开大了,那么远处的景像小东西都会被模糊掉,大一点的才会成像清晰。
景深是镜头的光学特性,景深来自焦深,由于被摄景物离镜头远近不一,在成相面的聚集点也就有了前后之分有的成实点点有的成为虚点这个虚嗲点叫弥散圈,若弥散圈的直径小于人的鉴别能力时,虚点和实点的距离就叫焦深,。和焦深相对的焦景深,实验证明,焦距越长、光圈越大,景深越小景深顾名思意是景物的深度,是使影象清晰的前后的景物深度。
解释(2):

 

 

景物内容的多少和光圈没有关系,和焦距、视角大小有关系,
光圈的大小决定景深,或者说清晰范围,可以这样比方,
相机原理就是小孔成像,你晚上点支蜡烛,用一张白纸比作底片,在蜡烛和纸张之间放另外一张纸,最好是深色的,在深色纸上戳一个洞,你蜡烛就会在白纸上成像,这个小孔越小,成像就会越清晰,同时也会越暗,你可以把这个小孔比作光圈,实际上相机就是这样的。

 

 

常用镜头参数:分辨率

镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数,单位是 线对 毫米。 

条包检测器上用computar MP0814-MP镜头,是百万象素级的镜头,分辨率为100线对/mm,这个分辨率较高。其实除了视觉测量,其实我们的产品一般都不用这么高的分辨率

CCD的芯片的分辨率越高,要求的镜头的分辨率也越高

 

常用镜头参数:变形率

变形率的定义:

两张底片比较,一张是该镜头拍的底片(底片1),另一张是无变形的标准底片(底片2),两张底片的取景相同,中心严格一致,先在底片1上确定一点到底片中心点的距离(距离1),然后在底片2上找到对应的该点,并度量该点到中心点的距离(距离2),然后:(距离1 - 距离2) / 距离2 *100%

所有的镜头都存在有变形的现象,可以用一个网格线模板进行测试,一般情况下,越是焦距短的镜头,越是变形率大

变形率小于2%都是不错的镜头。

C接口和CS接口

 

C接口:镜头基准面到焦平面(也就是CCD靶面)为17.526mm

CS接口:镜头基准面到焦平面(也就是CCD靶面)为12.5mm

注意:机械设计如何确定焦平面(也就是CCD靶面),一般就是从相机镜头接口往后量12.5mm或者17.526mm(根据相机接口类型定)

3: 光路计算

CCD成像基础共式

 

CCD光路计算规律

在我们的计算中, 一般有如下规律

  1. u >> f:
  2. 像距v近似等于焦距f:由于物距u>>焦距f,根据公司,所以物距基本等于焦距,事实上,调焦的过程就是将像距微调和焦距基本相差不远
  3. 镜头中心点的确认:由于v近似等于f,所以,从CCD靶面向前焦距距离就是镜头中心点,这个点的缺点对于我们光路作图意义很大

视场角和镜头中心点

视角 = 2 arctag(CCD靶面尺寸/2V)

由于V近似等于f, 所以视角近似等于2arctag(CCD靶面尺寸/2f)

镜头中心的位置大致就在靶面向前f的距离上

 

视场角的进一步知识

视角与镜头、CCD尺寸均相关,

对于1/3寸CCD的视角

 

2.8mm
3.5mm
4mm
4.8mm
6mm
8mm
86.3度
67.4度
62度
52.2度
42.3度
32.6度

 

标准镜头是指和人眼有效视角差不多的镜头(大约30度),1/3英寸CCD的标准镜头是8mm,1/2英寸CCD的标准镜头是12mm。

以前35mm胶卷的照相机标准镜头是50mm,除杂机用的线阵相机标准镜头大致为40mm,标准镜头比较容易制造,性价比也比较高。

 

光路作图步骤1

  1. 查CCD手册得到靶面尺寸和位置,并在CAD图上画出靶面的位置
  2. 从靶面向前f(镜头的焦距,例如35mm)找到镜头中心点
  3. 连线即可得到CCD的视野范围
  4. 如果视野不满足要求,可通过更换不同焦距的镜头来达成目标

光路作图步骤2

  1. 如果视频柜的空间不够,可以采用反光镜来调整相机实际位置,作图时,以反光镜为中轴做镜像影射即可
  2. 镜子的两端应该超出视场角线两端一小段距离, 保证视野内全是反光镜的成像
  3. 相机不能出现在视角范围内, 否则会阻挡相机的视野
  4. 反光镜镜面不宜朝上, 否则容易落灰, 如果一定需要朝上, 必须做个外壳将相机和反光镜封在同一个密闭体内