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2D视觉系统选型

明确客户需求

视觉项目通常都是针对一个具体产品实现识别、定位、检测等功能，项目开展的第一步是向客户了解需求，只有详细、准确的了解客户需求、项目信息，才能为后续实现视觉功能提供依据、支撑、指引。视觉项目的客户需求一般包含以下几个方面：

• 1.检测范围：检测目标的外形尺寸，当目标有不同规格时，按照客户需求考虑兼容性；
• 2.检测精度：最小缺陷尺寸，定位精度、组装精度；
• 3.安装空间：高度方向空间，如镜头、光源的工作距离范围，水平方向的空间，如光源直 径范围
• 4.检测速度：生产或检测单个产品的时间，或者单位时间内生产或检测产品的个数；
• 5.目标运动速度：当飞拍或线阵相机应用场景时，目标相对于相机的运动速度；
• 6.检测准确率：漏检率和过检率；
• 7.检测目标特性：检测目标的颜色、形状、粗糙度等；
• 8.性价比。以使用表格的形式梳理、记录客户需求，示例如下图需求搜集表所示：
  

硬件选型流程图

明确客户需求后，可参考如下选型流程图进行相机、镜头、光源的选型：

相机选型

相机选型流程图如下图所示：相机型号由型号系列、相机分辨率、帧率/行频、通信接口、颜色组成，分别对应的客户需求的输入信息：

计算相机分辨率

分辨率选型计算需要的输入信息是检测范围、检测精度。

一、通过检测目标尺寸计算视野范围FOV：

• 计算公式：视野范围=（1.2~1.5）×检测目标尺寸
• 计算示例：检测目标尺寸为100mm×50mm，求视野范围？
• 计算结果：
  • 1.2×【100mm×50mm】=【120mm×60mm】
  • 1.5×【100mm×50mm】=【150mm×75mm】
  • 视野范围FOV【120mm×60mm】~【150mm×75mm】

二、通过视野范围FOV和检测精度计算相机分辨率

• 用R表示相机分辨率：相机横纵方向像元的数量，如2448×2048；
• 用FOV表示视野范围：
• 用l表示检测精度：最小缺陷尺寸或定位组装精度；
• 用n表示最小特征的像元个数：n≥2，通常为2个或3个像素；
• 计算公式：R=FOV/l×n；
• 计算示例：100mm×50mm的检测目标，检测0.1mm的缺陷，计算相机分辨率。
• 计算结果：
  • 长边像元个数≈（1.2至1.5）×100/0.1×2=2400至3000，
  • 短边像元个数≈（1.2至1.5）×50/0.1×2=1200~1500
• 选型实例：MV-CA050-10GM（2448×2048）＞（2400×1200）理论上满足条件。

计算相机帧率

帧率（FPS）/行频：帧率是面阵相机每秒钟拍照的张数，行频是线阵相机每秒钟拍照的行数；

• 1.帧率选型，需要输入检测速度；
• 2.行频计算，需要输入运动速度和像素（像元）精度；
• 3.像素精度计算，需要输入视野范围FOV和相机分辨率；

一、通过检测速度计算帧率：

• 计算公式：帧率＞检测速度;
• 计算示例：检测速度每秒定位10个工件(单个工件视觉定位时间＜0.1s)，求帧率？
• 计算结果：帧率＞10；
• 注：计算帧率时应包含软件处理图像所需时间：1/(拍照时间+处理时间) ＞检测速度。

二、通过检测速度计算行频：
通过视野范围FOV和相机分辨率计算像素精度：

• 计算公式：像元精度=FOV/相机分辨率
• 计算示例：视野范围409.6mm，相机分辨率8K（8192），求像素精度？
• 计算结果：像素精度=409.6/8192=0.05mm

通过目标运动速度和像素精度计算行频

• 计算公式：行频＞运动速度/像素精度；
• 计算示例：像素精度0.05mm,运动速度1m/s，求行频？
• 计算结果：行频＞(1m/s) /0.05mm=20KHz；
• 注意：曝光时间＜1/行频,，否则会影响实际行频。

相机数据接口

相机数据通信接口有GigE、USB3.0、10GigE、CameraLink、CoaXPress等等，如下图常见相机接口
所示，不同通信接口通信距离和通信速度不同，最常用的是GigE相机。

镜头选型

如下图所示为镜头选型流程图：

• 定焦镜头型号由型号系列、焦距、分辨率组成；
• 远心镜头型号由型号系列、倍率、工作距离组成；

镜头靶面

镜头选型一般遵循两个原则：

• 镜头像方分辨率与相机相匹配
• 镜头的靶面尺寸需要大于等于相机靶面尺寸

下图镜头与相机靶面尺寸示意图所示，从左至右依次是镜头靶面尺寸等于相机Sensor尺寸，镜头靶面尺寸小于相机Sensor尺寸，镜头靶面尺寸大于相机Sensor尺寸。

• 左边的图，1/3靶面的sensor 传感器，最合适的肯定是配1/3靶面的镜头；
• 中间的图，如中间的图。镜头面积小于传感器，sensor上的四周会有光线盲点，所呈现出来的图像 四周就会是黑的，俗称暗角，黑影。
• 右边的图，镜头覆盖面积大于传感器，这样虽然不会像中间的图一样产生暗角，但明显镜头的性能被浪费了，这种情况其实也不可取。

FA镜头焦距选型

焦距f选型计算输入信息：相机靶面尺寸S、视野范围FOV、镜头工作距离WD范围。

一、通过相机分辨率和像元尺寸计算相机靶面尺寸

• 计算公式：相机靶面尺寸S=相机分辨率×像元尺寸；
• 计算示例：相机分辨率【2448×2048】，像元尺寸3.45um，求靶面尺寸？
• 计算结果：MV-CA050-11GM相机，【2448×2048】×3.45um=【8.45mm×7.1mm】。

二、通过检测范围计算视野范围FOV，上文已做介绍。
三、工作距离WD的范围，为客户需求输入信息；
四、相机靶面尺寸S、通过视野范围FOV、工作距离WD和镜头焦距。

• 基础公式：S/FOV=f/WD;
• 计算公式：f=S/FOV×WD;
• 计算示例：相机靶面尺寸【8.45mm×7.1mm】，视野范围【120mm×60mm】，工作距离355mm，求镜头焦距?
• 计算结果：f=8.45mm/120mm×355mm=25mm。

远心镜头焦距选型

倍率β选型输入信息：相机靶面尺寸S、视野范围FOV、镜头工作距离WD范围。

• 计算公式：β=S/FOV=f/WD
• 计算示例：视野范围FOV【10mm×5mm】，最小检测缺陷20um，相机MV-CA013-20GM靶面尺寸【6.144mm×4.915mm】，WD＞80mm；
• 计算结果：β=6.144/10=0.6144；
• 选型实例：MVL-HT-05-110满足要求，实际视野范围FOV=6.144/0.5=12.288mm，镜头分辨率12.61um，工作距离110mm。

补充镜头知识

单像元分辨率（单像素精度）

单像素精度是表示视觉系统综合精度的指标，表示一个像元对应检测目标的实际物理尺寸，是客户重点关注的视觉系统参数；

• 计算公式1：单像素精度=视野范围FOV/相机分辨率
• 计算示例：视野范围：横向120mm，相机分辨率：横向2448，求单像素精度？
• 计算结果：单像素精度=120/2448=0.04902mm
• 计算公式2：单像元精度=像元尺寸/镜头放大倍率β
• 计算示例：像元尺寸3.45um，镜头放大倍率β0.07，求单像素精度？
• 计算结果：单像元精度=3.45/0.07038=49.02um

通过目标的运动速度计算相机曝光时间

在面阵相机飞拍场景和线阵相机的应用场景时经常需要计算相机的曝光时间，因为在目标运动场景中，曝光时间过长会导致图像模糊；

• 曝光时间计算输入信息：单像素精度、检测目标的运动速度。
• 计算公式：曝光时间＜n×像素精度/运动速度（n表示允许n个像素的模糊带）。
• 计算示例：像素精度6.9um，目标运动速度1m/s，求曝光时间？
• 计算结果：曝光时间＜6.9/1=6.9us；

像素精度越高，目标运动速度越快，则曝光时间越短，对光源的亮度要求越高，所以飞拍或线阵相机场景需要高亮光源，或者频闪光源（瞬间大电流实现高亮度）。当极限光源亮度仍不能满足需求时，可适当加大相机增益值，但需信号和噪声会被同时放大；

镜头接口

在进行镜头选型过程中，需要注意镜头和相机的机械接口相匹配，工业镜头常见的机械接口如下：M12、C/CS、F、M42×1、M58×0.75、M72×0.75。

镜头光圈与F#

镜头的光圈是镜头通光量的参数，光圈大小用F#表示。

F#越小表示镜头内部光阑的通光孔径越大、进入镜头的光越多，图像越亮，同时分辨率越高；F#越大，光阑的通光孔径越小，图像越暗，但景深越大。

光源选型

光源选型流程图如下图所示：

光源的作用和选型步骤

一.什么是适合的光源？

• 突出目标，增强图像对比度；
• 锐化图像，减少图像过度像素；
• 过滤干扰，降低图像处理 难度；
• 稳定性，适应大批量产品的个体差异性，图像效果稳定。

二.什么是好的成像效果

• 对比度：要求目标与背景灰度值一般相差30以上，过渡像素满足精度检测要求；
• 均匀性：要求图像整体灰度均匀，不均匀但灰度差不影响图像处理；
• 真实性：与颜色有关的需要颜色真实，亮度适中，不过度曝光；
• 背景尽量淡化。

三.光源选型步骤
光源选型步骤如下图正常选型流程所示：

初选光源的步骤：

• 分析目标与背景的颜色(灰度)差异：
  • 如果存在明显的颜色差异、材质差异或者特殊材质时，优先选择红、绿、蓝、红外、紫外等光源。
  • 如果目标与背景没有明显的颜色特征时，常用白光光源。
• 分析目标与背景的形状差异：
  • 如果目标与背景存在明显的形状差异，比如台阶边缘、斜面、弧面等，可以选择高角度和低角度（明场、暗场）光源方案。
  • 虽然两种打光方式会产生灰度相反的图像，但都能够突出目标，应保证安装高度，可根据安装空间选取适合的光源，避免光源处在中间位置；
• 分析目标与背景的粗糙度差异：
  • 如果目标与背景有粗糙度的差异，打亮“粗糙平面”和“镜面平面”目标，大面积光源如面光，穹顶光，无影光是很好的选择。
  • 如果需要打亮背景，就需要使用低角度暗场光源了。
• 分析其他因素对目标产生的干扰
  • 例如环境光干扰、反光等情况，需要根据设备实际情况进行分析，对于反光，通常可采用偏振的方法过滤反光。
  • 注意:只有镜面平面产生的反光才能被偏振片过滤。

光源颜色选型的原理：

• 吸收与反射
• 色环
• 不同材质反射差异

光源颜色选型的应用：

• 增加对比度。根据目标亮度是否大于背景亮度，增加目标与背景对比度有两种不同的方法，如下图正增加对比度所示：
  

光源颜色选型举例

检测绿色纸盒上的白色字符，白色字符是目标，黑色字符和绿色是背景，目标亮度大于背景亮度。

由于目标的亮度已经很高，所以选用降低背景亮度的方法，使用背景的相对色照明，绿色的相对色是红色，选用红光光源，具体效果如下图绿色纸盒白色字符效果图所示：

参考：2D视觉系统选型

线阵相机和镜头选型

线阵与面阵

线阵与面阵区别

线阵相机的特性

线扫相机的选型

线阵相机参数

• 行频(Acquisition Line Rate)：即相机每秒钟输出的图行数。在自由运行模式下，行频自行设定；在触发模式下，行频与输入的行信号有关。
• 行高(Height)：行高是指拼成一帧图像所需要的行数，即一帧图像的纵向分辨率。
• 帧率：行高线阵相机的帧率与行频成正比，与行高成反比关系。即，帧率=行频/行高
  

线扫相机的选型

• 计算分辨率：幅宽/最小检测精度=每行需要的像素（图A：幅宽>>被拍摄物；图B：幅宽>被拍摄物；图C：幅宽≈被拍摄物 ）
• 确定像素精度：幅宽/像素数=像素精度
• 确定行频：每秒运动速度/像素精度=理想行频
• 根据分辨率与行频，选定相机

计算实例一

需求：幅宽为1800毫米、客户要求精度1毫米、运动速度25000mm/s

• 相机：1800/1＝1800像素，最少2000像素，选定为2k相机。如想提高清晰度，则可用2-5个像素表达1mm，则在现有像素值上乘以2-5倍。
• 像素精度：1800/2048＝0.9
• 理想行频：25000mm/0.9mm＝27.8KHz
• 选择实际行频大于27.8KHz的2K相机即可

计算实例二

物距（安装高度）和检测幅宽

针对上面选型有如下问题：线阵相机选型，这里选择8K以上，使用时候是否通过调整高度保证所有像素刚好覆盖检测幅宽？否则是不是会出现部分像素拍的不是检测幅宽内的内容？

是的，核心就是用物距（安装高度）+镜头焦距把光学视场（FOV）对到检测幅宽。但一般不会、也不必让8K每一颗像素都刚好卡死在400mm 上。

线阵相机一条线就是传感器那一排像素。FOV（线方向）≈单像素物面尺寸×有效像素数

• FOV刚好400mm：8192点全用在幅宽上，物面精度约400/8192≈0.049mm/pix，比算出来的0.067mm更细，这是最“吃满分辨率”的用法。
• FOV大于400mm：两边有像素拍到幅宽外（机架、导边、空白）。软件ROI裁掉即可，幅宽内精度会变粗一点。
• FOV小于400mm：两边布料拍不全，这才是问题，不能靠“裁像素”补。
• 所以：不是“8K就必须全部像素都拍检测区”；而是FOV至少要盖住400mm，多出来的像素可以不用。

高度怎么调：
高度（物距）是调FOV的主要手段之一：

• 升相机→FOV变大→mm/pix变粗
• 降相机→FOV变小→mm/pix变细
• 还要配镜头焦距。焦距定了，再用高度微调。选型时通常先定：
  • 机械允许的工作距离
  • 传感器靶面宽度（8K线阵大约几十mm量级，看具体型号）
  • 目标FOV（400mm再加一点余量）→反推焦距，装机后再微调高度/对焦。

实际怎么用更稳：
很少把FOV卡成精确400.00mm，常见是：

• 光学FOV做成410–430mm（跑偏、安装公差、边缘畸变）
• 软件只取中间对应400mm的像素
• 确认裁完后有效精度仍≤0.067mm/pix

例如FOV=420mm、用满8K：420/8192≈0.051mm/pix，仍满足0.2mm缺陷用3个像素。若FOV拉到550mm：550/8192≈0.067mm/pix，刚好卡在计算值，余量就没了。

4K为什么不够：400/4096≈0.098mm/pix，0.2mm缺陷大约只有2个像素，比他们按3像素算的要求差，所以才上8K。8K的余量就是给你FOV略大于400mm、又不掉精度用的。

行频调整

首先设定以下变量：

• Hc：线阵相机的线数，如2K，4K，8K，16K等（单位：pixel）
• Lo：目标物的幅宽（单位：mm）
• Vo：目标物运行速率（单位：mm/s）
• Vc：线阵相机线扫描速率（单位：Hz，即 线/s）

PH：横向精度(每个像素代表的实际宽度，单位：mm）

• 横向扫描精度：目标物的幅宽/线阵相机的线数，即PH=Lo/Hc
  PL：纵向精度(每个像素扫描的实际长度，单位：mm）
• 纵向扫描精度：目标物运行速率/线阵相机线扫描速率，即PL=Vo/Vc
  要想成像条件好，需要横向分辨率和纵向分辨率相等：
• Lo/Hc=Vo/Vc
  相机的线扫描速率为：
• Vc =(Hc ×Vo)/Lo
  其中Hc是线阵相机的线数， Lo目标物的幅宽，Vo目标物运行速率。
  

线阵镜头选型

线阵镜头参数

• 法兰距：相机接口定位面到像面的距离
• 机械后截距：镜头最后的机械面到像面的距离
• 光学后截距：镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离

镜头接口类型

工业相机中有各种不同直径或法兰距的相机，相应地存在与其匹配的多种镜头。镜头接口：相机和镜头的连接处，通常有C口、 CS口、 K口和F口等

相机与镜头搭配注意事项

线阵镜头的选型

选型案例一

选型案例二

参考：
线阵相机和镜头选型案例介绍
线阵相机及镜头选型方法简介
选型与参数计算