本文,从工业相机的关键参数,相机镜头的关键参数,相机的速率选择,应用场景的速度分析,相机的接口选择,相机等数据传输格式等多方面综合介绍和实际分析出发,来为入门工程师,中级工程师,或者需要单独考虑某方面的配置程序员等,提供一个概括讲解或分析。
对于工业相机,我们常用的是CMOS相机,因为其帧率高,速度快,功耗低。
靶面尺寸:常用英寸表示。1’’ = 16mm,表示对角线长度。如果不能整除的话,用向上取整来代替。
像元大小:指的是一个感光单元,也即一个像素的大小。例如:2.2um,6.9um。
分辨率:指的是整个sensor的水平和垂直感光大小。例如:720*540,也表示像素大小。分辨率由像元数确定。
位深:8bit,10bit,等等。
接口类型:USB3.0(5Gbps,625MB/s,5米),GigE(1Gbps,125MB/s,100米),Camera Link(6.4Gbps, 800MB/s,15米),CoaXPress(6.25Gbps,50米;1.25Gbps,170m)。
靶面尺寸的大小,只是一个大概的标识,实际上的sensor的大小,需要实际计算。
例如:一个靶面尺寸为1/2.5’'的CMOS相机,其像元尺寸为2.2um,分辨率为2592*1944。计算相机的sensor尺寸: horizontal = 2.2 * 2592≈5.7mm,vertical= 2.2 * 1944 ≈ 4.28mm,利用勾股定理计算对角线长度=sqrt(h^2 + v^2) ≈7.13mm. So, 但是根据标称的靶面尺寸:1/2.5’’ = 16mm/2.5 =6.4mm。所以,实际的sensor大小需要再次计算(real size ≠ 相机标称靶面)。但是用1/2.5’'已经能够表示出其相对大小了。
镜头的参数,主要包括三方面,焦距,光圈,靶面尺寸。
焦距的选择主要与实际要拍摄物体的距离远近有关。
光圈表示:最大的光圈大小,主要通过这个参数判断最大进光量是否满足需求。
镜头光学靶面尺寸:镜头光线聚集后,形成的靶面大小。与CMOS的尺寸标识一致,也有2/3’'英寸,1/2’'英寸。
相机与镜头,需要配合选型。光学镜头的靶面尺寸≥相机靶面尺寸。需要确定最小分辨率,焦距,一个像元大小是否满足最小测量或者噪声的表示量。通常做法是,为了增大最小测量单元/最小检出瑕疵,需将最小分辨率*4倍,此条件下,再去选配置。确定要达到的视野范围(FOV)和working distance,然后计算焦距f。
比如,相机的靶面尺寸是1/2’’,此时,需要的镜头靶面尺寸是1/2’’, 2/3’’, 1’'都是可以的。
图像格式,指的是从相机端传输出来的图像数据格式。常用的有: 黑白图像Mono: Mono8/ 10/ 10Packed; 彩色图像Color: BayerRG8/ 10/ 10Packed; BayerGB8/ 10/ 10Packed.
彩色:BayerRG8与Mono8的数据封装格式一样,但是是第一行按照RG RG的格式来排列的,第二行按照GB GB的顺序来排列。标准速率:1。
USB3.0: 5Gbps,625MB/s,有效工作距离5米,有时候帧率如果达不到,或者性能无法满足,大概率是功率不够,此时需要单独供电。
GigE:1Gbps,125MB/s,有效工作距离100米,注意,如果采集的相机和主机之间距离较长,需要单独供电。
Camera Link:6.4Gbps, 800MB/s,有效工作距离15米。
CoaXPress1.0:6.25Gbps,50米;1.25Gbps,170m;第二代CoaXPress2.0:12.5Gbps。传输速率高,传输距离长。
在项目和实验中,对于低中速,常规的工业场景,我们常用USB3.0,GigE接口的相机,其传输速率基本上能满足常规需求。所能带动的帧率也在30FPS-500FPS不等。而在超高速领域,例如,子弹发射,爆炸瞬间,这一类瞬时运动快;或细胞微粒流动等微纳尺度下的目标运动场景,我们一般采用高速相机来进行图像的捕捉采集和分析。由于需要达到超高速采集1000FPS,2000FPS,10000FPS,需要Camera Link或者CoaXPress来连接高速相机和主机。
在很多资料或文献说法中,经常提到曝光Exposure,快门Shutter等名词,有时候也用积分时间来描述,积分时间:电信号脉冲的宽度,来控制传感器的光积分(曝光)时间。所以,曝光也叫积分,曝光时间越长,元件积分时间越久,成像的图像亮度也越亮。