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

What are Industrial cameras? Main types and image processing

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)

工业相机成像过程及相关参数_工业相机的工作过程-CSDN 博客

凸透镜成像和小孔成像的原理分别是什么？有哪些区别和联系？-知乎 (zhihu.com)

为什么有的人说照相机是小孔成像，有的人说是凸透镜成像？？-懂得 (idongde.com)

工业相机有哪些类型？-普密斯 (pomeas.cn)

工业镜头如何选型？选择工业镜头攻略

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

Choosing an Appropriate Camera Lens - an overview (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)

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。

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。

Should You Go for an Area Scan or a Line Scan Camera? (voltrium.com.sg)

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。

Key differences between CCD and CMOS imaging sensors | Teledyne FLIR

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。

COLOR VS. MONOCHROME SENSORS

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。

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。

分辨率

相机的传感器 sensor 是由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。

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。

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。

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 。

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。

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。

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："，这里指的是传感器（工作区域为矩形）对角线长度为英寸，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（"）	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

光学放大倍数（光学倍率）

光学放大倍率 传感器尺寸（） 视场尺寸（）

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

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。

电源接口

相机电源输入接口。

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。

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。

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，确定所需视野范围 和工作距离 后，可根据传感器靶面尺寸计算工业镜头的焦距 。相关计算公式如下：

式中： - ：镜头焦距； - ：工作距离，即镜头至被测物体之间的距离； - ：对应方向的 视野范围，其中 为水平视野宽度， 为垂直视野高度； - ：对应方向的传感器靶面尺寸，其中 为传感器宽度， 为传感器高度； - ：光学放大倍率； - ：尺寸方向下标， 表示宽度方向， 表示高度方向。

计算时，传感器尺寸与视野尺寸必须取同一方向，即 与 对应，或 与 对应；各长度参数应采用统一单位。

方法/步骤 3:

打比方说，视野 是 100×100 mm， 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。

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：

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：

基于上图，当像距 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轴和轴，用表示其坐标值，单位是像素。

单点无畸变相机成像模型

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：

于是可以得到点在相机坐标系中的坐标：

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 矩阵， 为 向量， 为 向量， 为常数项。

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。

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：

其中 和 表示每一列和每一行分别代表多少 ，即 。

理想的世界坐标->像素坐标系整体转换：

由以下关系世界坐标系->相机坐标系、相机坐标系->图像坐标系、图像坐标系->像素平面坐标系可整理得：

单点无畸变的相机成像模型如下：

其中，为世界坐标系下一点的物理坐标，为该点对应的在像素坐标系下的像素坐标，为尺度因子（该点在相机轴距方向上与成像平面的距离）。

称为相机的内参矩阵，内参矩阵取决于相机的内部参数。其中， 为焦距，、 分别表示 、 方向上的一个像素在相机感光板上的物理长度（即一个像素在感光板上是多少毫米），、 分别表示相机感光板中心在像素坐标系下的坐标。

称为相机的外参矩阵，外参矩阵取决于相机坐标系和世界坐标系的相对位置，表示旋转矩阵，表示平移矢量。

镜头畸变修正模型

真实透镜通常有一定的畸变，主要是径向畸变和轻微的切向畸变，因此，需将上述模型进行扩展。

将相机模型整理得：

其中，进一步化简化得：

其中和为归一化后的相机坐标系坐标，并且，，由于镜头会造成畸变，所以需要对和进行修正，修正为和：

其中，径向畸变参数为 ，，，切向畸变系数 ，。此外还有更高阶的系数，在此不扩展讲述，此畸变模型与 Matlab 工具箱中的畸变校正模型一致。

径向畸变示意图如下：

切向畸变示意图如下：