[人工智能] 相机镜头选型

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[人工智能]相机镜头选型

文章目录

1、镜头的基本概念

镜头主要参数

放大倍率
- 视野（Field of View，FOV）
- 光学放大倍率( $\beta$ )
距离
- 工作距离（Working Distance，WD）
- 焦距（Focal Length，f）
- 景深（Deepth of Field，DOF）
性能
- 分辨率
- 光学畸变
- 调制度传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）
亮度
- 光圈大小（F数）
- 最大兼容CCD芯片大小（CCD尺寸）

（1）放大倍率

视野（FOV）

? 图像采集设备所能够覆盖的范围。

光学放大倍率( $\beta$ )

在这里插入图片描述

图一

如图一模型所示：光学放大倍数=相机靶面大小/视场大小（ $\beta=\frac{y^{'}}{y}$ )

（2）距离

工作距离（Working Distance，WD）

定义：镜头前透镜表面到检测物体表面的距离。
最大/最小工作距离：从物镜到被检测的距离范围，小于最小工作距离或者大于最大工作距离时，系统均不能正常成像。

景深(Deepth of Field，DOF)

直观定义：在某个焦距位置上，景深的物体都可以清晰成像，如图二。
严格定义：对理想的光学系统，像平面对应一个理想物平面。实际光学系统，能够清晰成像的最远物面到理想物面的距离成为远景深度；能够清晰成像的最近物面到理想物面的距离成为近景深度，远景深度和近景深度的和就是光学系统的景深，如图三。

在这里插入图片描述

图二

在这里插入图片描述

图三

焦距（Focal Length，f）

定义：镜头的中心点到胶片平面上所形成的清晰影像之间的距离。
作用：如图四所示
- 焦距决定了该镜头拍摄的物体在胶片上所形成影像的大小，影像的大小与焦距成正比。
- 焦距决定了胶片给定的画面区域所适合的场景大小，适合的场景大小与焦距成反比。

在这里插入图片描述

图四

（3）性能

分辨率

像方分辨率：测量系统能够重现的最小的细节的尺寸，常用毫米线对来表示（该镜头能分辨一毫米内多少对直线），不同的厂商对分辨率的定义可能不同。如图五，a图不能分辨两个球；b、c都能分辨。

在这里插入图片描述

图五

物方分辨率：镜头能分辨开的两个物体之间的最小工作距离，单位（ $\mu m$ ）
- 像方分辨率 = 物方分辨率*镜头放大倍率
解像力（Resolving）：1mm内的黑白线对数，单位（ $I p / m m$ ）。
- 解像力=1/图像分辨率
成像面：可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面。
根据测试的精度要求和视野选择相机的分辨率

像方分辨率=（视野的高/精度）*（视野的宽/精度）*2-->像方分辨率=像元尺寸*2

满足上面公式的镜头分辨率与相机完全匹配。例如，相机像元尺寸5 $\mu m$ ，镜头放大倍率0.5，当物方分辨率20 $\mu m$ 时刚好匹配，物方分辨率<20 $\mu m$ ，说明镜头过好，相机分辨率成为系统限制

精度：如果是尺寸测量，这个精度就是测量精度；如果是缺陷检测精度就是需要检测出的最小缺陷的尺寸

光学畸变

? 这里请看一篇文章：相机模型、参数

调制度传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）

定义：MTF是空间频率和对比度定义的，他表征了光学系统传递对比度的能力，空间频率高时，对比度会下降。
空间频率：1mm内的黑白线对数，单位（ $I p / m m$ ）
对比度：归一化的值。理想黑白线的对比度为1，对比度下降，观察到的图像会变模糊。

###（4）亮度

光圈大小（F数）

光圈：用来控制镜头通光量的装置，通常在镜头内。
F数：表达光圈大小所用的数值，如 $f 1.4 、 f 2 、 f 2.8$ 等，如图六所示。
- $F=\frac{f}{D}$
- F数越小，通光口径越大，景深越小
- F数越大，通光口径越小，景深越大
- 如图七所示：景深与光圈大小呈负相关

在这里插入图片描述

图六

在这里插入图片描述

图七

最大兼容CCD芯片大小

? 如图八所示，镜头成像尺寸要大于等于CCD芯片大小，否则会在成像时造成四角是黑的

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图八

2、镜头的选型

（1）选型依据

? 相机接口、物距、拍摄范围、CCD尺寸、畸变允许范围、放大率、焦距、变焦范围、光圈等。

（2）选型原则

镜头可支持的最大的CCD尺寸不能小于所搭配相机中CCD传感器芯片的尺寸。
镜头接口要跟相机接口匹配安装，也可以通过转换匹配安装。
镜头焦距的选择：焦距的选择涉及工作距离、CCD尺寸、视野大小。
- 焦距计算： $f=\frac{WD*h \quad or \quad v}{H \quad or \quad V}=WD*\beta$
- 其中 $\beta$ 为放大倍率
镜头的光谱特性要符合光源要求。镜头需要满足光源要求，才能获取全部的图像信息，需要考虑光源的波长、光谱范围、以及光源的种类是红外还是紫外等等。
镜头的畸变率要符合测量标准。
彩色/黑白：如果需要获取颜色信息选用彩色相机；定位、测量、识别以及缺陷检测应当使用黑白相机，因为黑白相机图像的信噪比高、灵敏度高、对比度大、数据量小，更利于图像处理。
一般静态场景选择面阵相机，对于快速运动物体可以选用线阵相机。