機(jī)器視覺工業(yè)鏡頭計(jì)算方法.doc

機(jī)器視覺工業(yè)鏡頭計(jì)算方法（一）2012年8月1日艾菲特光電一、機(jī)器視覺中工業(yè)鏡頭的計(jì)算方式1、WD 物距 工作距離（Work Distance，WD）。2、FOV 視場(chǎng) 視野（Field of View，F(xiàn)OV）3、DOV 景深（Depth of Field）。4、Ho:視野的高度5、Hi:攝像機(jī)有效成像面的高度(Hi來代表傳感器像面的大小)6、PMAG:鏡頭的放大倍數(shù)7、f:鏡頭的焦距8、LE:鏡頭像平面的擴(kuò)充距離二、相機(jī)和鏡頭選擇技巧1、相機(jī)的主要參數(shù): 感光面積SS（Sensor Size）2、鏡頭的主要參數(shù): 焦距FL（Focal Length） 最小物距Dmin（minimum Focal Distance）3、其他參數(shù): 視野FOV（Field of View） 像素pixel FOVmin=SS（Dmin/FL） 如：SS=6.4mm，Dmin=8in，F(xiàn)L=12mm pixel=640*480 則：FOVmin=6.4（8/12）=4.23mm 4.23/640=0.007mm 如果精度要求為0.01mm，1pixels=0.007mm0.01mm 結(jié)論：可以達(dá)到設(shè)想的精度三、工業(yè)相機(jī)傳感器尺寸大?。海▎挝唬簃m）1/4：(3.2mm2.4mm)；1/3：(4.8mm3.6mm)；1/2：(6.4mm4.8mm)；2/3：(8.8mm6.6mm)；1：(12.8mm9.6mm)；四、CCD相機(jī)元件的尺寸型號(hào)高度比長(zhǎng)度（mm）寬度（mm）對(duì)角線（mm）1/64:31.732.32.8781/44:32.43.241/34:33.64.861/24:34.86.481/1.84:35.37.28.92/34:36.68.81114:39.612.8164/34:313.51822.5五、線陣傳感器尺寸（單位：mm）61.457.43.528.620.4810.24六、公式：分辨率（m)=0.61（固定值）x0.55（設(shè)計(jì)波長(zhǎng)）NA 有效F No=放大倍率/2NA 景深(mm)=2(可接受的模糊圓直徑x有效F No放大倍率2) 光通量直徑（）=2NAx物體的高度+視野尺寸（角度）七、顯示器倍率及綜合倍率的求法：顯示器倍率=顯示器英寸數(shù)x25.4（1英寸）CCD相機(jī)對(duì)角尺寸 綜合倍率=顯示器倍率x光學(xué)倍率 例：2x光學(xué)倍率鏡頭和1/2 CCD相機(jī)的組合，在14顯示器上的影像綜合倍率 綜合倍率=44.45x2=88.9八、光學(xué)放大率光學(xué)放大率影像大小相對(duì)于物體的放大率=y/y=b/a=NA/NA=CCD相機(jī)元素尺寸/視場(chǎng)實(shí)際尺寸電子放大率電子放大率是用相機(jī)拍照成像在CCD上的像呈現(xiàn)在顯示器的放大倍數(shù)顯示器放大率顯示器放大率是被拍物體通過鏡頭成像顯示在顯示器上的放大倍數(shù)顯示器放大率（光學(xué)放大率）（電子放大率）例子:光學(xué)放大率0. 2X, CCD大小1/2（對(duì)角線長(zhǎng)8mm）,顯示器14電子放大率1425.4/844.45（倍）顯示器放大率0.244.458.89（倍） （1寸25.4mm）視場(chǎng)視場(chǎng)是鏡頭與CCD相機(jī)連接時(shí)物體可被看見的范圍大小視場(chǎng)的大小是:（CCD格式大?。?（光學(xué)放大率）例子:光學(xué)放大率0.2X，CCD1/2（4.8mm長(zhǎng)，6.4mm寬）視場(chǎng)大小 :長(zhǎng)4.8/0.224（mm）寬6.4/0.232（mm）工業(yè)鏡頭基本參數(shù)（一）2009年3月25日艾菲特光電工業(yè)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，那么攝像頭所輸出的圖像；就是白茫茫的一片，沒有清晰的圖像輸出，這與我們家用攝像機(jī)和照相機(jī)的原理是一致的。當(dāng)人眼的肌肉無法將晶狀體拉伸至正常位置時(shí)，也就是人們常說的近視眼，眼前的景物就變得模糊不清；攝像頭與鏡頭的配合也有類似現(xiàn)象，當(dāng)圖像變得不清楚時(shí)，可以調(diào)整攝像頭的后焦點(diǎn)，改變CCD芯片與工業(yè)鏡頭基準(zhǔn)面的距離(相當(dāng)于調(diào)整人眼晶狀體的位置)，可以將模糊的圖像變得清晰。由此可見，鏡頭在閉路監(jiān)控系統(tǒng)中的作用是非常重要的。工程設(shè)計(jì)人員和施工人員都要經(jīng)常與鏡頭打交道：設(shè)計(jì)人員要根據(jù)物距、成像大小計(jì)算鏡頭焦距，施工人員經(jīng)常進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，其中一部分就是把鏡頭調(diào)整到最佳狀態(tài)。一工業(yè)鏡頭的安裝尺寸，接口所有的攝象機(jī)鏡頭均是螺紋口的，CCD攝象機(jī)的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即C安裝座和CS安裝座。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。C安裝座：從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17526mm。C S安裝座：特種C安裝，此時(shí)應(yīng)將攝象機(jī)前部的墊圈取下再安裝鏡頭。其鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是125mm。如果要將一個(gè)C安裝座鏡頭安裝到一個(gè)C S安裝座攝象機(jī)上時(shí)，則需要加裝一個(gè)5mm厚的接圈。二鏡頭的尺寸以攝象機(jī)鏡頭尺寸分鏡頭可以分為1英寸、23英寸、12英寸、13英寸、14英寸、15英寸等規(guī)格，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的芯片尺寸規(guī)格表：格式1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸高度9.6mm6.6 mm4.8 mm3.6 mm2.4 mm寬度12.8 mm8.8 mm6.4 mm4.8 mm3.2 mm攝像機(jī)鏡頭規(guī)格應(yīng)視攝象機(jī)的C C D尺寸而定，兩者應(yīng)相對(duì)應(yīng)。大概： 攝像機(jī)的C C D靶面大小為12英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選12英寸。 攝像機(jī)的C CD靶面大小為13英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選13英寸。 攝像機(jī)的C C D靶面大小為14英寸時(shí)，鏡頭應(yīng)選14英寸。如果鏡頭尺寸比攝像機(jī)C C D靶面尺寸大時(shí)，將使圖像視野比鏡頭視野小，即不能很好地利用鏡頭的視野；如果鏡頭尺寸比攝像機(jī)C C D靶面尺寸小時(shí)，將發(fā)生“隧道效應(yīng)”，即圖像有圓形的黑框，像在隧道里拍的一樣。監(jiān)控相機(jī)一般都比較小，甚至小于1/3英寸；工業(yè)相機(jī)稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；傳統(tǒng)的135相機(jī)底片比當(dāng)前的一般感光芯片都大，36mm24mm（1.4英寸0.9英寸），畫面對(duì)角線長(zhǎng)度為43mm（1.7英寸），即是1.7英寸的，120中幅相機(jī)，其感光面尺寸有三種：4560mm、6060mm和9060mm，可見畫幅更大。三鏡頭的光圈，F(xiàn)值光圈的主要作用是通過控制鏡頭光量的大小滿足成像所需的合適照度。光圈越大，靶面成像照度越大，攝像機(jī)輸出信號(hào)強(qiáng)度越大，信噪比越高?？梢岳斫猓ü饪讖皆酱?，通過的光量越大；但我們關(guān)心的是到達(dá)芯片的光量，而焦距越長(zhǎng)，意味著芯片離鏡頭中心越遠(yuǎn)，相應(yīng)的光就越弱，所以，標(biāo)準(zhǔn)光圈大小的參數(shù)應(yīng)該與兩個(gè)變量有關(guān)，孔徑，焦距。光圈系數(shù)，即F值即是用來來表征光圈的大小的參數(shù)。它等于鏡頭焦距f和通光孔徑D之比。光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)值越小，光通量越大。F值的規(guī)律是后一個(gè)值正好是前一個(gè)數(shù)值的2 倍，所以，光圈調(diào)大一擋，光量減少2倍。常用值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等幾個(gè)等級(jí)。一般光圈都可以調(diào)節(jié)，從而有手動(dòng)光圈(manual iris)和自動(dòng)光圈(autoiris)之分。手動(dòng)光圈工業(yè)鏡頭是的最簡(jiǎn)單的工業(yè)鏡頭，適用于光照條件相對(duì)穩(wěn)定的條件下，手動(dòng)光圈由數(shù)片金屬薄片構(gòu)成。光通量靠鏡頭外徑上的個(gè)環(huán)調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)此圈可使光圈收小或放大。在照明條件變化大的環(huán)境中或不是用來監(jiān)視某個(gè)固定目標(biāo)，應(yīng)采用自動(dòng)光圈工業(yè)鏡頭，比如在戶外或人工照明經(jīng)常開關(guān)的地方，自動(dòng)光圈鏡頭的光圈的動(dòng)作由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)受控于攝像機(jī)的視頻信號(hào)。自動(dòng)光圈工業(yè)鏡頭又有兩類：一類是將一個(gè)視頻信號(hào)及電源從攝像機(jī)輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，鏡頭本身包含放大器電路，用以將攝像頭傳來的視頻幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)光圈馬達(dá)的控制，這稱為視頻(VIDEO)驅(qū)動(dòng)型；另一類則利用攝像機(jī)上的直流電壓來直接控制光圈，稱為直流(DC)驅(qū)動(dòng)型，這種鏡頭只包含電流計(jì)式光圈馬達(dá)，要求攝像頭內(nèi)有放大器電路。對(duì)于各類自動(dòng)光圈工業(yè)鏡頭，通常還有兩項(xiàng)可調(diào)整旋鈕，一是ALC調(diào)節(jié) (測(cè)光調(diào)節(jié))，有以峰值測(cè)光和根據(jù)目標(biāo)發(fā)光條件平均測(cè)光兩種選擇， 一般取平均測(cè)光檔；另一個(gè)是LEVEL調(diào)節(jié)(靈敏度)，可將輸出圖像變得明亮或者暗淡。工業(yè)鏡頭基本參數(shù)（二）2009年3月28日艾菲特光電四工業(yè)鏡頭的視角，焦距 焦距的大小決定著視場(chǎng)角的大小，焦距數(shù)值小，視場(chǎng)角大，所觀察的范圍也大，但距離遠(yuǎn)的物體分辨不很清楚；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠(yuǎn)的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場(chǎng)角是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)確定的焦距就意味著一個(gè)確定的視場(chǎng)角，所以在選擇鏡頭焦距時(shí)，應(yīng)該充分考慮是觀測(cè)細(xì)節(jié)重要，還是有一個(gè)大的觀測(cè)范圍重要，如果要看細(xì)節(jié)，就選擇長(zhǎng)焦距鏡頭；如果看近距離大場(chǎng)面，就選擇小焦距的廣角鏡頭。1焦距的計(jì)算： 鏡頭的焦距，視場(chǎng)大小及鏡頭到被攝取物體的距離的計(jì)算如下： fwLW f：鏡頭焦距 w：圖象的寬度(被攝物體在ccd靶面上成象寬度) W：被攝物體寬度 L：被攝物體至鏡頭的距離 高度可以類比。2視場(chǎng)角的計(jì)算： tg（ H/2）h/2f = W/L tg（ V /2）v /2f = H/L H：水平視場(chǎng)角 V：垂直視場(chǎng)角 f：鏡頭的焦距 h：攝像機(jī)靶面的水平寬度 v：攝像機(jī)靶面的垂直高度 W：最大可見物體寬度的一半 H：最大可見物體高度的一半 L：被攝物體至鏡頭的距離 垂直視角可以類比。3鏡頭按視角分類 鏡頭按視角分可以分為： 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角3 0度左右，在12英寸CCD攝象機(jī)中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為1 2 mm，在13英寸C CD攝像機(jī)中，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距定為8 mm。只所以稱30度視角的鏡頭是標(biāo)準(zhǔn)鏡頭是因?yàn)槿搜鄣挠行б暯谴蟾攀?0度。 廣角鏡頭：視角9 0度以上，焦距可小于幾毫米，可提供較寬廣的視景。 遠(yuǎn)攝鏡頭：視角2 0度以內(nèi)，焦距可達(dá)幾米甚至幾十米，此鏡頭可在遠(yuǎn)距離情況下將拍攝的物體影響放大，但使觀察范圍變小。4鏡頭按焦距分類 鏡頭從焦距上分為： 短焦距鏡頭：因入射角較寬，可提供一個(gè)較寬廣的視野。 中焦距鏡頭：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，焦距的長(zhǎng)度視C C D的尺寸而定。 長(zhǎng)焦距鏡頭：因入射角較狹窄，故僅能提供狹窄視景，適用于長(zhǎng)距離監(jiān)視。 按焦距分類和按視角分類是對(duì)應(yīng)的。5定焦鏡頭和變焦鏡頭 有些鏡頭的焦點(diǎn)是固定的，而有些鏡頭的焦點(diǎn)是可變的，這分別稱為定焦鏡頭和變焦鏡頭。 變焦鏡頭也常被成為變倍鏡頭，它的焦距連續(xù)可變，即可將遠(yuǎn)距離物體放大，同時(shí)又可提供一個(gè)寬廣視景，使監(jiān)視范圍增加。變焦鏡頭有手動(dòng)伸縮鏡頭和自動(dòng)伸縮鏡頭兩大類。典型的光學(xué)放大規(guī)格有6倍(6.0-36mm，F(xiàn)1.2)、8倍(45-36mm，F(xiàn)16)、1 0倍(80-80mm，F(xiàn)12)、12倍(6.0-72mm，F(xiàn)12)、2 0倍(10-200mm，F(xiàn)1.2)等檔次，并以電動(dòng)伸縮鏡頭應(yīng)用最普遍。五鏡頭的分辨率 描述鏡頭成像質(zhì)量的內(nèi)在指標(biāo)是鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)與畸變，但對(duì)用戶而言，需要了解的僅僅是鏡頭的空間分辨率，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計(jì)量單位。六特殊鏡頭 在特殊的安全鏡頭族群中，值得一提的品種包括光纖鏡頭、管道鏡頭、分像鏡頭、拐角鏡頭、中繼鏡頭、自動(dòng)聚焦鏡頭、安定鏡頭和長(zhǎng)程鏡頭。這些鏡頭