自動化集成系統(tǒng)配套服務(wù)商-日弘智能今天為大家講講機(jī)器視覺系統(tǒng)鏡頭如何選型?視覺系統(tǒng)鏡頭介紹及選型方法。

　　1.鏡頭介紹

　　鏡頭作為機(jī)器的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)物體的圖像聚焦在圖像傳感器(相機(jī))的光敏器件上。數(shù)據(jù)系統(tǒng)所處理的所有圖像信息均需要通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。

　　(1)工作距離(Working Distance)

　　工作距離指的是鏡頭的最下端到景物之間的距離。一般的鏡頭是可以看到無限遠(yuǎn)的，也就是說是沒有上限的。

　　我們需要注意的是“最小工作距離”在鏡頭上有兩個有刻度的調(diào)節(jié)圈，一個是調(diào)節(jié)光圈的，另一個是調(diào)焦的，在調(diào)焦的刻度圈上標(biāo)有此鏡頭的工作距離從最近到最遠(yuǎn)是多少。

　　(2)視場(Field of view, 即FOV，也叫視野范圍)

　　視野指的是鏡頭能看到的最大范圍，也就是鏡頭所能覆蓋的有效工作區(qū)域。

　　(3)景深(Depth of view，即DOF)

　　景深與視野相似，不同的是景深指的是縱深的范圍，視野指的是橫向的范圍。在最小工作距離到最大工作距離之間的范圍稱為景深，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。景深一般可以通過光圈調(diào)節(jié)，光圈越小，景深越大。

　　可成清晰像的最遠(yuǎn)的物平面稱為遠(yuǎn)景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離成為后景深△L1;能成清晰像的最近物平面稱為近景平面，它與對準(zhǔn)平面的距離稱為前景深△L2;景深=前景深+后景深，景深計算公式為：

　　前景深ΔL1=FδL^2/(f^2+FδL)(1)

　　后景深ΔL2=FδL^2/(f^2-FδL)(2)

　　景深ΔL=ΔL1+ΔL2=(2f^2FδL^2)/(f^4-F^2δ^2L^2)

　　(由于第一次寫博客，還不太會編輯公式，L^2就是L的平方的意思)

　　δ——容許彌散圓直徑，f——鏡頭焦距，F(xiàn)——鏡頭的拍攝光圈值，L——對焦距離

　　ΔL1——前景深，ΔL2——后景深，ΔL——景深

　　從公式(1)和(2)可以看出，后景深 > 前景深。

　　由景深計算公式可以看出，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)

　　(1)、鏡頭光圈：

　　光圈越大，景深越小;光圈越小，景深越大;

　　(2)、鏡頭焦距

　　鏡頭焦距越長，景深越小;焦距越短，景深越大;

　　(3)、拍攝距離

　　距離越遠(yuǎn)，景深越大;距離越近，景深越小。

　　總結(jié)：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小的光圈;在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭。如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。

　　網(wǎng)上有些在線的景深計算器，有興趣的網(wǎng)友可以自行搜索查詢計算，以下是兩個景深的計算實例：

　　(1)、200/2.8對焦在5m時，f/2.8的景深：

　　δ=0.035mm，f=200mm， F=2.8，L=5000mm

　　計算得：ΔL1=60mm，ΔL2=62mm，ΔL=122mm

　　結(jié)論：該鏡頭在用f/2.8拍攝時，清晰范圍是從4.94m~5.062m，景深很淺。

　　(2)、200/2.8+2X=400/5.6對焦在5m時，f/5.6的景深：

　　δ=0.035mm，f=400mm，F(xiàn)=5.6，L=5000mm

　　ΔL1=30mm，ΔL2=31mm，ΔL=61mm

　　結(jié)論：該鏡頭在配合2X增距鏡后，主鏡頭用f/2.8拍攝時，景深是(1)的一半。

　　(4)焦距(focal length)

　　要了解焦距首先要知道成像面，那成像面又是什么呢?成像面是入射光通過鏡頭后所成像的平面，這個面是一個圓形。

　　焦距就是鏡頭到成像面的距離，一般你問廠家鏡頭的時候，廠家一般都會問你需要焦距是多少的鏡頭，比如：50mm鏡頭，8mm鏡頭還是75mm鏡頭等。這些就是鏡頭到成像面的距離，也就是焦距。單位是毫米。但是在實際使用中，往往需要相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定的主要參數(shù)就是相機(jī)焦距。對于工業(yè)鏡頭而言，一般都是使用定焦鏡頭，也就是焦距f通常都是固定的。工業(yè)鏡頭，一般有光圈、對焦圈兩個轉(zhuǎn)環(huán)，我們使用對焦圈來改變透鏡的位置時，其改變的距離有一定的限制。但這并不意味這我們使用的是變焦鏡頭。

　　(5)視角(visual angle)

　　視角顧名思義就是視線的角度，也就是鏡頭能看多“寬”。焦距越小，視角越大;最小工作距離越短，視野越大。

　　對于普通的鏡頭來說，選擇原則是：工作距離越近越好，鏡頭的畸變越小越好，視野越大越好。

　　(6)分辨率(resolution ratio)

　　圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情況下，視野越小，分辨率越好。

　　(7)光圈：(Iris)

　　光圈是一個用來控制光線透過鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面光量的裝置，在拍攝高速運動物體時候，由于曝光時間短，需要使用大光圈。

　　光圈大小一般用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑直徑D的比值來衡量，當(dāng)光圈物理孔徑不變時，鏡頭中心與感光器件距離越遠(yuǎn)，F(xiàn)值越大，光圈越小;反之，F(xiàn)值越小，光圈越大。

　　一般通過調(diào)整通光孔徑大小來調(diào)節(jié)光圈，完整的光圈數(shù)值系列如下：F1，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44，F(xiàn)64。

　　(8)鏡頭畸變

　　鏡頭在成像時，特別是用短焦距鏡頭拍攝大視場，圖像會產(chǎn)生形變，這種情況叫做鏡頭的畸變，這是由于鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)和成像特性導(dǎo)致的，原因是由于視野中局部放大倍數(shù)不一致造成的圖像扭曲。

　　拍攝的視場越大，所用的鏡頭的焦距越短，畸變的程度就越明顯，一般有桶型畸變和枕型畸變兩種，可以通過圖像標(biāo)定減弱這種平面畸變的影響。

　　(9)接口及最大兼容CCD尺寸

　　鏡頭接口只要可跟相機(jī)接口匹配安裝或可通過外加轉(zhuǎn)換口匹配安裝就可以了，其一般的接口是C口跟CS口，這兩者主要的區(qū)別是圖像傳感器與鏡頭之間的距離不同這兩者類型的接口沒有細(xì)分的，其C口的大小全都都一樣，;

　　所有鏡頭都只能在一定的范圍內(nèi)清晰成像，最大兼容CCD尺寸是指鏡頭能支持的最大清晰成像的范圍。在實踐選擇相機(jī)和鏡頭時，要注意所選擇的鏡頭的最大兼容CCD尺寸要大于或等于相機(jī)芯片的尺寸。

　　2.鏡頭選型方法(含相機(jī))

　　已知：被檢測物體大小為A×B,要求精度小于C，工作距離為D

　　(1). 計算短邊對應(yīng)的像素數(shù)E=B/C，相機(jī)長邊和短邊的像素數(shù)都要大于E;

　　即相機(jī)最小分辨率為：E×E

　　這里并不能完全確定相機(jī)的傳感器尺寸，雖傳感器尺寸與視野等有一定關(guān)系，但沒有直接公式關(guān)系，因為鏡頭的選擇會依賴相機(jī)(分辨率、接口)，后面可以根據(jù)鏡頭的選型反推這里相機(jī)是否正確。

　　這里可以暫定相機(jī)C接口，2/3英寸，得到相機(jī)傳感器短邊尺寸G

　　(2)可求得：

　　像元尺寸=傳感器尺寸/分辨率(像元個數(shù))=G/E

　　放大倍率=所選相機(jī)傳感器短邊尺寸/相機(jī)短邊的視野范圍=G/B

　　由于相機(jī)確定，那么我們可以先確定需要的工業(yè)鏡頭是C接口，最少支持2/3"，

　　(3)焦距=(工作距離D×相機(jī)傳感器短邊尺寸G)/物體寬度B 單位：mm(焦距越小，視場角就越大，視野也就相應(yīng)的更大，因為焦距一般有固定的值，如5mm，8mm,所以實際焦距可以相應(yīng)選小一號的)

　　其實，得放大倍率還有另一種計算方法：

　　放大倍率=所選相機(jī)傳感器短邊尺寸/相機(jī)短邊的視野范圍=焦距/工作距離

　　那么，焦距=工作距離×放大倍數(shù)

　　考慮實際工作情況，更多采用的焦距計算公式為：焦距=工作距離×(1/放大倍數(shù)+1)=(工作距離*相機(jī)傳感器短邊尺寸)/(物體寬度+相機(jī)傳感器短邊尺寸)

　　驗證方法

　　因為視野范圍與精度是兩個矛盾的指標(biāo)，以上計算以精度為標(biāo)注進(jìn)行選型(用的物體短邊B)，可計算最終視野是否滿足長邊A：

　　長邊A < 工作距離D × 相機(jī)傳感器短邊G / 焦距f

　　以上僅針對主要參數(shù)進(jìn)行計算選擇，其他如畸變、景深、環(huán)境等，可根據(jù)實際要求進(jìn)行選擇。

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