机器视觉硬件选型计算概述V1.0目录1相机 (4)1.1相机光谱类型 (4)1.2相机像素值 (5)1.3图像帧速率和快门速度 (6)1.3.1断续送料的应用 (6)1.3.2连续送料的应用 (7)1.4图像数据传输 (7)1.4.1模拟传输方式 (8)1.4.2数字传输方式 (8)1.5其他要点 (9)1.5.1像素深度 (9)1.5.2传感器尺寸 (9)1.5.3像元尺寸 (10)1.5.4CCD&CMOS (10)2镜头 (10)2.1靶面尺寸 (11)2.1.1面阵相机镜头 (11)2.1.2线阵相机镜头 (11)2.2焦距 (11)2.3镜头分辨率 (12)2.4接口类型 (13)2.5工作距离 (14)2.6镜头其他参数 (14)2.6.1景深 (14)2.6.2工作波长 (14)2.6.3畸变 (15)3光源 (16)3.1光源类型 (16)3.2光源照射方向性 (17)3.2.1反射类型 (17)3.2.2照射角度 (17)3.3光源光谱 (23)3.3.1光源颜色 (23)3.3.2光源波长特性 (24)3.3.3几种光源光谱使用情况汇总对比 (25)3.4光源亮度调整 (26)4其他 (27)4.1各种滤镜/选配件 (27)4.1.1偏光镜 (27)4.1.2锐波滤镜 (28)4.1.3保护镜 (28)机器视觉硬件选型计算概述V1.0本资料主要包括相机、镜头和光源的选型计算概述。
1相机相机选型主要参数包括：相机光谱类型、相机像素值、图像帧速率和快门速度、像素深度、传感器尺寸、像元尺寸。
1.1相机光谱类型相机光谱类型即相机色彩类型主要分为彩色相机和黑白相机。
在处理图像时，彩色照相机使用的是色调（颜色）数据，而黑白照相机使用的是强度（亮度）数据。
首先要强调目前市场上同等分辨率的彩色相机和黑白相机价格差异不大，但是同等条件下仍然优选黑白相机（特别是涉及尺寸测量），主要原因如下：1、在图像边缘检测算法中一般实现先将彩色图片转换为黑白图片然后根据像素之间像素值差异实现边缘检测。
在数据转换中会存在像素信息的丢失。
2、黑白相机本身像素的准确度要优于彩色相机。
3、黑白相机的处理速度要更快，而且软件上可省略彩色转黑白的时间，因此系统整体的响应时间更短。
但是在色彩信息可以作为识别区分要素的时候，需要选用彩色相机。
如下图1所示为金色螺钉识别案例，需要通过色彩区分金色和银色。
图 1 识别金色螺钉案例1.2相机像素值机器视觉系统的使用者通常都非常关心如何找到瑕疵或裂纹的最小可检测尺寸即测量精度。
如图2所示，机器视觉系统的测量精度取决于反映目标特征的像素数决定的，为保证测量准确性通常一个目标特征点通常至少对应16（4×4）个像素点。
同一款相机的测量范围和测量精度成反比，具体测量范围和测量精度的大小取决于镜头放大倍数。
图 2 图片像素和测量精度关系示意测量精度与像素值对照计算示意如图3所示。
计算测量精度需单独核算X方向和Y方向精度，以下以Y轴像素精度为例。
A = 相机Y 方向的CCD 像素B = 视野（Y 方向）(mm)C = CCD（像素）上可检测的最小像素尺寸则，最小可检测尺寸= B x C ÷A。
图 3 测量精度与像素值对照计算示意现在来估算一下使用百万像素相机在60 mm 视野(B) 时的最小可检测瑕疵尺寸。
假定最小可检测像素尺寸(C) 为理想值，即 4 个像素。
如果将A = 1200 个像素、B = 60 mm、C = 4 个像素指定给前述公式：最小可检测尺寸= 60 x 4 ÷1200 = 0.2 mm。
1.3图像帧速率和快门速度图像帧速率和快门速度的计算主要是涉及运动工件在线检测，分两种情况：断续送料的应用和连续送料的应用。
1.3.1断续送料的应用断续送料的应用中，目标会停止一段时间以便检测。
每分钟可检测的目标数量可根据图像处理系统的处理速度来计算。
此时：1）最大生产线速度 = 视野÷设备响应时间例如，要求的最小可检测瑕疵尺寸是0.2 mm 时，根据前表，二百万像素相机的视野可达100 mm。
如果设备响应时间是50 ms，则最大生产线速度= 100 mm ÷0.05sec. = 2000 mm/sec.2）设备响应时间(sec.) =1/图像帧速率(Frames/sec.)+图像传输时间(sec.)+软件处理时间(sec.) +设备动作时间(sec.)1.3.2连续送料的应用连续送料的应用，除需要考虑图像帧速率还应该考虑相机的快门速度。
图 4 拍摄运动物体图像时高速快门和低速快门图像质量对比如果在检验连续薄膜/薄板时，快门速度（曝光时间）设置得不够快，则捕获的图像会有些模糊。
为防止图像模糊，需要设置快门速度，以便在相机捕获图像时，目标移动距离不超过其自身尺寸的1/5。
快门速度 = 要求的最小可检测瑕疵尺寸÷ 5 ÷生产线速度例如：要求的最小可检测瑕疵尺寸= 1 mm，生产线速度= 1 m/sec快门速度= 1 mm ÷ 5 ÷1000 mm/sec. = 1/5000理想的快门速度是1/5000。
1.4图像数据传输按照不同的图像传输方式，相机可以大略的分为模拟相机和数字相机。
1.4.1模拟传输方式模拟相机以模拟电平的方式表达视频信号。
模拟相机现在使用非常广泛，其优点是技术成熟、成本低廉、对应的图像采集卡价格也比较低。
8-bit 的图像采集卡可以提供256 级的灰度，对于大部分的图像应用已经足够了。
模拟相机有四个非常成熟的标准：PAL、NTSC、CCIR 和RS-170，如表2.1 所示。
里面需要关注的参数有帧率、彩色/黑白、分辨率。
表格 1 视频模拟信号协议由上表可以用看出，不同的标准对应不同的参数，这些参数必须正确采用对应的图像采集卡，才能获得准确的图像。
模拟相机也有一些缺点，比如帧率不高，分辨率不高等等。
在高速、高精度机器视觉应用中，一般都会考虑数字相机。
1.4.2数字传输方式数字相机先把图像信号数字化后通过数字接口传到电脑中。
常见的数字相机接口有CameraLink、Firewire、GigE 和USB。
1.4.2.1Camera LinkCamera Link 是一个工业高速串口数据连接标准，它是由National Instruments、摄像头供应商和其他图像采集公司在2000 年10 月联合推出的，它在一开始就对接线、数据格式、触发、相机控制等做了考虑，所以非常方便机器视觉应用。
Camera Link 的数据传输率可达1Gbits/s，可提供高速率、高分辨率和高数字化率，信噪比也大大改善。
Camera Link 的标准数据线长3 米，最长可达10 米。
如果您是高速或高分辨率的应用，Camera Link 肯定是首选。
1.4.2.2FirewireFirewire 即IEEE1394，开始是为数字相机和PC 连接设计的，它的特点是速度快(400Mbits/s)，通过总线供电和支持热插拔。
另外值得一提的是，如果PC 上自带Firewire 接口，那么不需要为相机额外购买一块图像采集卡了，这在成本上也是一种优势。
1.4.2.3GigEGigE，即千兆以太网接口，它似乎综合了高速数据传输和远距离的特点，而且电缆便宜(网线)。
缺点是支持这种接口的相机型号比较少，选择有限。
1.4.2.4USBUSB2.0带宽可达480 Mbit/s，USB3.0带宽可达5Gbit/s。
支持热插拔，使用便捷。
相机可通过USB线缆供电。
USB2.0传输距离可达5m，加中继可达30m。
缺点是没有标准协议；主从(Master-salve)结构，CPU占用率高；带宽没有保证。
1.5其他要点1.5.1像素深度像素深度即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
在图像颜色对比不是非常明显时，大的图像深度有助于边界识别。
1.5.2传感器尺寸传感器尺寸(Sensor Size) 如1/2”1/3”2/3”等。
传感器尺寸越大,理论上可以聚集更多的感光单元,可以获得更高的相素。
在相素不变的情况下,相机传感器尺寸越大,噪点控制能力越强,因为单个感光元件之间的间距越大,相互之间的信号干扰越小。
1.5.3像元尺寸像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶面的大小。
目前数字工业相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
1.5.4CCD&CMOSCCD （电荷耦合器件）和CMOS（互补性氧化金属半导体）图像传感器是两种不同的数字影像捕捉技术。
在不同的应用中，二者的优势和劣势也不同。
就机器视觉而言，受到大量手机成像器投资的推动，CMOS 面阵和线阵成像器开始超越了CDD 成像器。
对于大多数的机器视觉面阵和线阵成像器而言，CCD 已不再具备技术优势。
在多数可见光成像应用中，CMOS 面阵和线阵成像器优于CCD 成像器。
然而，在高速低照明应用中，CCD 时间延迟积分成像器优于CMOS 时间延迟积分成像器。
在近红外成像方面，CCD 面阵和线阵成像器是更好的选择。
在紫外成像中，考虑到全局快照要求，能否实施背面减薄表面处理是关键。
此外，低噪声要求也是一个因素。
在这一方面，因为拥有高读出速度，CMOS 的优势比CCD 更为明显。
总而言之，价格和性能之间的权衡都会影响对CCD 或是CMOS 的评定，具体取决于杠杆、规模和供应安全性。
2镜头机器视觉系统镜头选型主要包括：靶面尺寸、焦距、镜头分辨率、接口类型、工作距离、景深等选型计算。
2.1靶面尺寸靶面尺寸也叫像面尺寸，是相机的传感器尺寸，镜头的靶面尺寸表征的是镜头可以适应的最大的相机传感器尺寸。
目前，工业相机通常使用CCD或者CMOS传感器作为像面接收器，有面阵和线阵两种，其工作区域的形状分别为矩形或线形，传感器的工作区域必须包含在镜头所确定的像面圆形区域之内。
在镜头的参数中，也经常使用传感器的大小来表示视场大小。
2.1.1面阵相机镜头面阵传感器是由许多像素单元组成的一个矩形阵列，每个像素单元都是一个方形传感器。
面阵传感器的大小通常是以其对角线的长度来表示的。
目前常用的面阵传感器有：表格 2 相机靶面尺寸2.1.2线阵相机镜头线阵传感器也是由许多像素单元组成，与面阵传感器不同的是，这些像素单元排成一个单列。
线阵传感器的大小则是以像素单元的数量和大小来表示的。
线阵传感器的规格有1K、2K、4K、8K、12K等，像素单元有5µm、7µm、10µm、14µm等。
在镜头参数中线阵相机以成像圆直径近似表征靶面尺寸。