本文最后更新于：2023年9月14日上午

工业相机参数介绍及原理讲解

工业相机是一种特殊类型的相机，适合在恶劣的条件下工作(高温、高压和振动)。它们用于控制生产周期、跟踪生产线上的目标单位、检测超小零件等。因此，一般来说，它们的应用范围很广。

工业用相机因其高可靠性而与普通日常相机有很大不同。这种设备通常有坚固的外壳，保护内部机制免受湿度、灰尘、有害气体和其他环境因素的影响。工业相机的制造商使用最耐用的材料进行生产(金属，有时是增强塑料)，并且由于它的加固设计，通常还能抵抗机械冲击和振动。具有高保护水平的相机能在-40至+70°C甚至更宽的温度范围内工作，有时工业摄像机也直接用于温度检查。

工业相机广泛应用于工业自动化和机器人领域。用于控制系统的相机通常需要高分辨率。它必须将图像数据快速传输到控制系统。工业生产应用需要机器视觉，机器视觉是计算机视觉在制造业中的应用，它允许控制系统看到现实中正在发生的事情的真实画面，而工业相机正充当这样的传感器角色。

参考

WhatareIndustrialcameras?Maintypesandimageprocessing

工业相机基础知识详述——焦平面，像平面，弥散圆，光圈，分辨率，景深，接口，靶面尺寸-立业安邦-博客园(cnblogs.com)

镜头的成像原理及特性-知乎(zhihu.com)

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工业相机和工业镜头的选型实例-上海陆华光电科技有限公司(gvtec.com.cn)

深眸分享--工业相机镜头的选型-深眸科技(sensemoment.com)

相机成像原理-CSDN博客

ChoosinganAppropriateCameraLens-anoverview(sukhamburg.com)

OpenCV: Camera Calibration and 3D Reconstruction

相机畸变模型和标定问题小记 - 知乎 (zhihu.com)

一、工业相机类型

工业相机在机器视觉、工业制造、图像处理等方面应用广泛，是其中的重要组件。在工业视觉检测系统搭建中，工业相机的选型是关键的一环。任何东西都有一定的标准进行分类，工业相机是工业视觉检测系统中的核心组件，按照不同的分类标准，可以分为多个类型。

(1)靶面类型

按照靶面类型不同，可以分为面阵相机和线阵相机：面阵相机是指可以一次性采集获取图像的工业相机，在形状、尺寸、位置等检测应用中广泛应用。线阵相机是指采用线阵图像传感器的工业相机，可以用于金属、塑料、纤维等印刷缺陷检测。

ShouldYouGoforanAreaScanoraLineScanCamera?(voltrium.com.sg)

(2)芯片类型

按照芯片类型不同可以分为CCD相机和CMOS相机：CCD工业相机具有体积小重量轻、低功耗、响应速度快、像素集成度高等优势，CMOS工业相机具有高速成像、高帧率、高性价比等优势。

KeydifferencesbetweenCCDandCMOSimagingsensors|TeledyneFLIR

(3)图像颜色

按照输出图像颜色不同可以分为黑白相机和彩色相机：相同分辨率下，黑白工业相机相比彩色工业相机精度更高，检测图像边缘时，黑白工业相机成像效果更好。如果需要处理项目与图像颜色有关，彩色工业相机效果更佳。

COLORVS.MONOCHROMESENSORS

工业相机按照分类标准不同，还有多种类型。工业相机的选型是机器视觉项目搭建时的重要环节，除了需要了解工业相机的类型及功能，相机价格和厂家售后等需要同时考虑，才能选择出更合适的工业相机。

二、工业相机参数

工业相机的应用范围很广，可以应用于工业自动化、机器人、交通控制、医药、生物科学、工业生产、安防等领域。选择合适的工业相机以满足工作需求，就需要了解工业相机参数以及其数值会影响相机的哪方面性能。

(1)分辨率

相机的传感器sensor是有许多像元按照矩阵的形式排列而成，分辨率就是以水平方向和垂直方向的像元个数来表示的。分辨率越高，成像后的图像像素数就越高，图像就越清晰。常用的工业面阵相机分辨率有130万、200万、500万等；对于线阵相机而言，分辨率就是传感器水平方向上的像素数，常见有1K、2K、6K等。

在相机分辨率的选型上，要根据工作需求而定，并不一定是分辨率越高就越好，分辨率高带来的图像数据量就大，后期的算法处理复杂度就高，而且一般分辨率大的相机，帧率一般都不会太高。

(2)帧率[面阵相机]/行频[线阵相机]

最大帧率表示的是面阵工业相机每秒能够采集并输出的最大帧数，这往往和传感器芯片和数据输出接口带宽有关。根据项目需求，对于拍摄运动物体，建议选取高帧率相机，具体帧率数要根据拍摄精度来确定。

帧率是相对于面阵工业相机来说的，单位是fps，如181fps，即相机每秒内最多可采集181帧图像。

行频是相对于线阵工业相机来说的，单位是kHz，如80kHz，即相机每秒内最多可采集80000行图像数据

(3)像元尺寸

像元尺寸和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小，通常工业相机像元尺寸为2μm~14μm。

像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，一般情况下，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。

(4)像素深度（位深）

像素深度是指每位像素数据的位数，通常用多少比特位表示。一般，每个像素的比特位数多，表达图像细节的能力强，这个像素的灰阶值更加丰富、分得更细，像素的灰阶深度就更深，但同时数据量也越大，影响系统的图像处理速度，因此也需慎重选择。

常见的是8bit、10bit、12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有2560×2048×8/8/1024/1024=5MB。

(5)曝光时间

曝光时间是为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间；视感光材料的感光度和对感光面上的照度而定；曝光时间长，进光量就越大，适合光线条件较差的情况；曝光时间短则适合光线比较好的情况。曝光时间调整会影响帧率。

(6)焦距

焦距就是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离，注意区分相机的焦距与单片凸透镜的焦距是两个概念，因为相机上安装的镜头是多片薄的凸透镜组成，单片凸透镜的焦距是平行光线汇聚到一点，这点到凸透镜中心的距离。焦距的大小决定着视角大小，焦距数值小，视角大，所观察的范围也大；焦距数值大，视角小，观察范围小。

(7)传感器尺寸（靶面尺寸）

工业相机参数列表中一般将传感器尺寸参数描述为靶面尺寸：1/n"，这里指的是传感器（工作区域为矩形）对角线长度为1/n英寸，但这里英寸和mm的换算关系并不是1英寸=25.4mm，而是=16mm。下面列举了一些常用的靶面尺寸：

靶面尺寸(1/n")	宽(mm)	高(mm)	对角线(mm)
1.1英寸	12	12	17
1英寸	12.7	9.6	16
2/3英寸	8.8	6.6	11
1/1.8英寸	7.2	5.4	9
1/2英寸	6.4	4.8	8
1/3英寸	4.8	3.6	6
1/4英寸	3.2	2.4	4

(8)光学放大倍数（光学倍率）

光学放大倍率=传感器尺寸（V）/视场尺寸（V）

(9)单像素精度

单像素精度=视野长度/传感器长度方向有效像素个数

(10)接口类型

工业相机通常有三个基础的接口：电源接口、数据接口与镜头接口。

1.电源接口

相机电源输入接口。

2.数据接口

按照接口标准不同，工业相机常用的数据接口有GigE、CameraLink、USB3.0、CoaXPress等类型。

3.镜头接口

工业相机镜头接口种类很多，常用的一般有C接口、CS接口、F接口、M42接口、M72接口等。

三、工业相机及工业镜头的选型过程

方法/步骤1:

首先，要确定工业相机的接口、靶面尺寸和分辨率大小。打比方是2/3"工业相机，C接口，5百万像素；那么我们可以先确定需要的工业镜头是C接口，最少支持2/3",5百万像素以上。

方法/步骤2:

其次，确定所要达到的视野范围和工作距离，然后根据这两个要求和已知的靶面尺寸计算出工业镜头的焦距。其计算公式为：

方法/步骤3:

打比方说，视野是100*100mm,是500mm；那么我们先从工作距离确定工业镜头的焦距要在50mm以下（工业镜头的命名方式DZO-5018M,前面字母表示DZO品牌，50表示焦距50mm,18表示最大光圈值），市场上工业镜头焦距一般是12mm,16mm,20mm,25mm,35mm,50mm,75mm。再结合相机靶面的大小来确定哪个型号，工业镜头的焦距越小，视场角就越大，视野也就相应的更大。如果靶面为2/3"可以选择35mm焦距的工业镜头；靶面1/2"则需要25mm焦距的工业镜头，或者更小....以此类推。

四、工业相机成像原理

相机图像拍摄的过程实际上是一个光学成像的过程。相机的成像过程涉及到四个坐标系：世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系以及这四个坐标系的转换。相机透镜成像基本原理如下图所示：

相机成像原理

(1)简化相机成像模型

相机的镜头是一组透镜，当平行于主光轴的光线穿过透镜时，会聚到一点上，这个点叫做焦点，焦点到透镜中心的距离叫做焦距。数字相机的镜头相当于一个凸透镜，感光元件就处在这个凸透镜的焦点附近，将焦距近似为凸透镜中心到感光元件的距离时就成为小孔成像模型。小孔成像模型如下图所示：

针孔相机模型

基于上图，当相距和焦距相等的时候，便是相机的成像模型。小孔成像模型是相机成像采用最多的模型。在此模型下，物体的空间坐标和图像坐标之间是线性的关系，因而对像素坐标的求解就归结到求解线性方程组上。

对于针孔相机模型，如下图所示（其中为相机焦距），对于真实世界中的空间点 $，，$ ，其对应的相机坐标系坐标为 $，，）$ ，对应的图像坐标系坐标为,对应的像素坐标为 $，$ 。

世界坐标系：是客观三维世界的绝对坐标系，也称客观坐标系。

相机坐标系：以相机的光心为坐标原点，轴和轴分别平行于图像坐标系的轴和轴，相机的光轴为轴。

图像坐标系：以图像平面的中心为坐标原点，轴和轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用表示其坐标值。图像坐标系是用物理单位（例如毫米）表示像素在图像中的位置。

像素坐标系：以图像平面的左上角顶点为原点，轴和轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，用表示其坐标值,单位是像素。

(2)单点无畸变相机成像模型

1. 世界坐标系->相机坐标系

从世界坐标系到相机坐标系，涉及到旋转和平移（其实所有的运动也可以用旋转矩阵和平移向量来描述）。绕着不同的坐标轴旋转不同的角度，得到相应的旋转矩阵，如下图所示

世界坐标系至相机坐标系

于是可以得到点在相机坐标系中的坐标：

相机坐标系

其中，为相机外参。写成齐次坐标的方式是为了方便矩阵运算。其中为3×3矩阵，为3×1向量，为1×3向量，1为常数项。

2. 相机坐标系->图像坐标系

真实世界中的某点会投影在相机的成像平面上，利用针孔成像原理，空间任意一点与图像点之间的关系，与相机光心的连线为，与像面的交点即为空间点在图像平面上的投影。

该过程为透视投影，利用相似三角形关系可得：

其中为焦距，轴方向上为点到光心的距离，一般称为比例因子，展开可得：

写成矩阵形式，则投影关系为：

其中，为比例（尺度）因子（不为0），为有效焦距（光心到图像平面的距离），是空间点在坐标系中的齐次坐标，是像点在图像坐标系中的齐次坐标。

3. 图像坐标系->像素平面坐标系

像素坐标系和图像坐标系都在成像平面上，只是各自的原点和度量单位不一样。图像坐标系的原点为相机光轴与成像平面的交点，通常情况下是成像平面的中点或者叫principal point。图像坐标系的单位是，属于物理单位，而像素坐标系的单位是pixel，我们平常描述一个像素点都是几行几列。所以这二者之间的转换如下：

像素单位转化