刚入门3D视觉，第一次接触到工业相机的时候，对，一般来说工业相机长这个样子：
图1 常见工业相机外观
一问价格，至少都是大几千，贵的在十几万，心里就不禁有疑问，就这么一个破相机，为啥就卖这么贵？它跟我们常见的单反相机有什么区别？我用单反相机来拍，色彩又好，成像又清晰，它不香吗？为啥一定要用工业相机？
图2 常见单反相机外观
咋一看，单反相机块头这么大、工业相机块头这么小，工业相机明显在坑人啊！诚然，由于工业相机需求量和产量的缘故，工业相机的研发、制造总成本会远远高过消费级单反相机，这也是它价格更为昂贵的原因，但我们这里一定要明白一个概念：工业相机，不能简单地理解为工业上用的相机，它是有特殊用途的一类相机统称。
特殊用途：什么叫特殊用途，比如说我们3D重建算法，对相机的畸变要求尽量小，在某些恶劣场合，需要用到IP67级防水相机、拍摄原子弹爆炸前几微秒内原子弹内部的场景，这类专门的相机可以称为高速相机，这些相机都可以称为工业相机。而相反的，你认为工厂里监控摄像头，尽管它部署在工厂里的每个角落，但你能认为它是工业相机吗？
事实上，工业相机相比较一般的单反相机，区别还是很大的，概括下来大致有以下4个方面：
1、配备专门软件开发工具包（Software Development Kit，SDK），我们可以通过代码设置包括：曝光时间、触发方式、图像分辨率、成像帧率等等一系列相机参数（下面是某款相机SDK的图像界面）。
图3 FlyCapture SDK 采集图像界面
2、成像精准：一般来说，工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通传感器是隔行扫描的，前者生产工艺更为复杂，成品率低、出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品。此外，工业相机的畸变、色彩还原准确度往往更好，而单反相机追求的是要拍的好看。
例如一些工业相机被安装在工业检测生产线上，负责产品的视觉测量、缺陷筛查等工作，这就要求相机在流水线常年连续运转过程中保证不出故障，否则会导致生产线停摆甚至瘫痪，这对企业来说意味着难以挽回的经济损失。
4、特殊用途
·严苛场景：比如某些在航空上用的相机，其工作温度范围就要求：-40℃~85℃；
·像速度：拍摄汽车碰撞、原子弹爆炸的高速相机；
·光谱范围：比如测量钢炉内铁水温度的红外相机；
除此之外，工业相机一般来是黑白的，主要是为了保证曝光充足、成像准确。至于价格，我认为不是区分工业相机和单反相机主要的因素，还是得看具体相机的型号，消费级市场也有大十几万的设备。
工业相机的接口主要有三种类型：
图4 工业相机的接口[2]
有时候，数据口和电源口也会放一起，某个接口既能提供数据传输又能提供相机电源，随着时代的变化，这类即插即用的工业相机越来越普遍。
这里所谓的即插即用，并不是说插上去就能用，而是在安装相应的驱动后，我们通过SDK可以进行调用，区别与某些接口相机需要自己去写底层驱动以及相应图像处理算法。
通常来说，我们买到的工业相机是不带镜头的，就像下面这样：
图5 不带镜头的工业相机
常见的工业相机镜头接口包括：C、CS、M42、M50、F、V、T2等等，接口类型的不同和工业相机镜头性能、质量并无直接关系，仅仅是接口方式不一样，一般来说，我们也能找到各种常用接口之间的转接口。下面简要地介绍下这些接口。
最简单的，你记住什么相机接口对什么相机镜头即可。
相机镜头的C、CS接口非常相似，它们的接口直径、螺纹间距都是一样的，仅仅是法兰距不同。C接口的法兰距是17.5mm，CS接口的法兰距是12.5mm。因此对于CS接口的相机，如果想要接入C接口的镜头，只需要一个5mm厚的CS-C转换环即可。两个接口与转换环的实物如下所示：
图6 工业相机C接口和CS接口实物（图中CS接口相机已转接为C接口）[2]
法兰距：也叫做像场定位距离，是指机身上镜头卡口平面与机身曝光窗平面之间的距离，即镜头卡口到感光元件（一般是CMOS或CCD）之间的距离。注意，法兰距不同，即便装上也无法清晰对焦和成像。
M12接口，这个接口对应的数字12，指的是接口直径是12mm。由于直径较小，这类接口往往用在微小工业相机上，如无人机上搭载的相机一般用的这类镜头，如下所示：
而M42、M58接口更大，往往用在大靶面的工业相机、甚至线扫相机上。这类接口直接通过螺纹连接到相机上，连接较为方便。
对于卡扣系列，主要有两种：佳能的EF接口和尼康的F口，这个接口也在它们家单反中使用，两者的差别在于法兰距不同，F口的法兰距大于EF口，在工业相机领域，尼康的F接口也更为常见一点。实例如下：
当然还有其他接口，包括老式的PK口、施耐德V口、以及其它各种接口等，这些用的倒不多，就不一一介绍了。其实记住一句话，什么相机口对什么镜头口即可了，但这里还是给出常见的镜头接口参数，以便大家参阅：
表1 常见镜头接口参数[2]
常见的数据、电源接口包括USB、CoaxPress、CameraLink、Gige接口等，如下所示：
它们的性能指标对比如下：
简要地解释一下：
需要说明的是，我们选取工业相机型号的时候，接口并不是传输速度越好越好，而是要挑合适的，杀鸡焉用牛刀？那怎么选型呢？我们下一节说！
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对于单片凸透镜来说，焦距通常指平行光线经凸透镜汇聚后一点到透镜中心的这段距离，如下所示。通常，这个距离在制造完成后就不可变的，也就是说一块凸透镜的焦距是不会发生变化的。
图10 单片凸透镜的物理焦距
但现代镜头通常由多片薄透镜组成，如图11所示:
图11 现代相机镜头构成[5]
它们之间的的相对距离可以发生变化，因而物理焦距也可以随之发生变化，这类镜头称为变焦镜头，反之不能发生变化的是定焦镜头。
市面上大多数镜头都是定焦镜头，但是我们常说调焦又是怎么回事呢？不是说定焦镜头吗？定焦怎么能调焦呢？
事实上，这里我们所说的调焦，或者说对焦，其实并不说改变镜头的物理焦距，而是改变像距，即调整成像面和镜头的距离，使得CCD上能够清晰成像，这段距离也称为摄影焦距，简称焦距，如下所示：
图12 镜头的摄影焦距[4]
为什么要去调整摄影焦距呢？
我们来看下面这个模型：
图13 相机清晰成像对焦情况
对于小人头部的A点，其从头部发出三个方向的光线，经过镜头汇聚后，汇聚于成像面的A’点。那么对于A点发出其它方向的光线呢？它们也会汇聚于A点，因为镜头的形状是经过专门设计的。
这里有两点特殊：
对于这个模型，这里可以看出，如果相机镜头跟成像面的距离，也就是焦距不对，那么必然要进行调焦。在实际情况中，在大多数相机中，CCD是固定不动的，我们通过移动整个镜头离成像面的距离来完成对焦（镜头的物理焦距依然没有发生改变，这也是定焦镜头可以调焦的原理）。
为什么改变物体距相机的距离后，我们要重新进行调焦？
原因如下：即使是同一个高度点，在不同距离上，摄影焦距也是不一样的，因而需要调焦，示意图如下，A1、A2的摄影焦距显然不一样：
图14 不同成像距离，摄影距离不同，因而需要调焦
有人又问了，如果发生发生下面这个场景，图像不会混叠吗？A1、A3好像成像在同一点上，首先A3是可以清晰成像的，A1显然不行。
图15 不同距离、高度下光路混叠现象
其次，从理论上讲，A1、A3在CCD上就是呈现为同一点，那怎么区分A1、A3点呢？拜托，动下脑子，如果有A3点，你能看到A1点吗？
需要提的一点是，在之后的模型推导中，我们会将整个相机模型简化为小孔成像模型，就像下图这样，这并不会影响我们之后公式推导的准确性。
图16 简化的相机小孔成像模型
对于上面的理解，这里只要求你大致了解，知道为什么需要调焦就好，因为传统的相机光学真的是门非常复杂、高深的学问，可以讲好久，在这里我跟你讲的还是化简后的相机模型。
简单说，焦距有两种，镜头的物理焦距和摄影焦距，物理焦距一般出厂后就固定了，我们调整的是摄影焦距，恰当的摄影焦距才能使图像清晰成像。
前面有个问题，我们知道头顶平面可以清晰成像，那么鼻子的位置就不能清晰成像了吗？
事实上，我们所谓的清晰是一个相对的概念，人眼的分辨能力有限，只要该区域足够小，我们就认为它是清楚的。模型如下所示：
图17 景深：相机在一段范围内都可以认为是清晰成像的
在平面前后一定距离范围内，从a到c，我们可以认为成像都是清晰的，这一深度范围称为景深。焦点附近，也就是在景深范围内清晰，而前后方景物都比较模糊，实际的图像如下：
图18 景深范围内清晰，范围外模糊
光圈大小是用 f 值来刻画的，意思是开了几分之几，影响镜头的进光量。光圈值为f/2.0，意思是开了1/2，常见的光圈值如下所示：
图19 镜头光圈大小
光圈的大小除了影响进光量外，也会影响景深，简单说：光圈越大，景深越小。
图20 光圈影响景深原理图
较大的光圈意味着更大的进光量，有利于弱光环境下拍摄，一般来说，镜头越亮约好，但是大光圈镜头也意味着景深不够。
关于工业相机中常见的镜头标识大致如下：
图21 镜头常见标识
还有一些镜头标识，当你看到了不认识，请百度一下！因为有时候我也会不认识上面的标志。
关于相机的参数就简单多了，下面简要叙述：
下面这些参数，主要用在相机、镜头选取的计算中：
图22 视场角和视场范围关系
图23 光学放大倍数
下面我们来讲一些主要参数的选取：
1.相机
·CCD or CMOS
·CCD 提供更好的图像质量、抗噪能力，CMOS体积更小，但噪声会更多一点。当然，这不是绝对的，还是钱决定的。
·CCD尺寸
·有钱的话，尽量买大一点的。
·合适的分辨率
·对于视野范围为 ，要求测量精度为 ，那么横/竖放下的分辨率至少为 像素，通过我们不会用一个像素对应一个测量精度，一般选择倍数为4、甚至更高，这样相机单方向的分辨率为 ，相机的分辨率：。
这也是为什么结构光系统视野范围大则测量精度低的原因。
·足够的相机帧率
·当被测物体有运动要求，相机的帧率不能太低，对于一些高速运动的物体，可以选择
2.镜头
·镜头接口：
跟相机接口匹配，也可以外加转换口后匹配，并且镜头可支持的最大CCD尺寸应大于选配相机CCD尺寸大小。
·镜头焦距
根据相机CCD尺寸、工作距离、视场大小（物体的高/宽）计算所需镜头的焦距，如下：
图24 根据CCD尺寸、工作距离、视场大小计算所需的镜头焦距
·镜头光圈范围
1、FlyCapture2工业相机使用说明书：在公众号「3D视觉工坊」，后台回复「工业相机」，即可直接下载。