機(jī)器視覺-相機(jī)

機(jī)器(jīqì)視覺入門培訓(xùn)精品資料機(jī)器視覺(shìjué)中的圖像采集技術(shù)（硬件基礎(chǔ)知識）第二(dìèr)講精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像(túxiànɡ)采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識基本(jīběn)結(jié)構(gòu)基本(jīběn)概念分類與發(fā)展趨勢數(shù)字工業(yè)相機(jī)的傳輸接口第一節(jié)工業(yè)相機(jī)第二節(jié)工業(yè)相機(jī)內(nèi)容提要精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)DigitalImageProcessingModule數(shù)字圖像

處理模塊

LensMountIRFilterImageSensorDriveCircuit驅(qū)動電路

TransmittingController發(fā)射

控制器

VideoSignal視頻信號

Channeltocontrolthecamera通道控制

相機(jī)

第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料第二講：機(jī)器視覺(shìjué)中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（1）傳感器的尺寸圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數(shù)字相機(jī)的長寬比例則包括多種：1：1，16：9，3：2etc。第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料

線掃描相機(jī)：用像素的一條線來成像，像在這條線的垂直方向移動。傳感器獲取一行數(shù)據(jù)，讀出后再獲取另一行數(shù)據(jù)。像的運(yùn)動(yùndòng)就提供了一個二維空間。線掃描相機(jī)可以有幾K個像素，因此可提供高分辨率的像。許多線掃描相機(jī)能夠有較高的數(shù)據(jù)速率。這種相機(jī)和采集卡的缺點(diǎn)是價(jià)錢較高。線掃描相機(jī)最多用在網(wǎng)狀探測中，這里網(wǎng)連續(xù)的在相機(jī)的成像視場中移動。

線掃描相機(jī)具有靈敏度高，動態(tài)范圍大，性價(jià)比高等特點(diǎn)。線掃描CCD相機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

□在高分辨率應(yīng)用中，低成本提高分辨率

□100%的填充因子（感光面積與整個像素面積之比）

□動態(tài)范圍高

□拍攝高速運(yùn)動(yùndòng)的物體時(shí)無需附加復(fù)雜的快門裝置就能實(shí)現(xiàn)無smear輸出

線掃描相機(jī)系統(tǒng)的重點(diǎn)元素

□運(yùn)動(yùndòng)平穩(wěn)□速度跟蹤精度高□光源強(qiáng)度要求高二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（2）精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（3）相機(jī)掃描方式隔行掃描（Interlace

），模擬相機(jī)一般都是隔行掃描。請問如果是拍運(yùn)動物體的話，會出現(xiàn)什么情況？怎么解決?35246第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（4）相機(jī)掃描方式逐行掃描（Progressivescan）,數(shù)字相機(jī)一般都逐行掃描，CCD和COMS芯片在運(yùn)動拍攝會出現(xiàn)什么情況？35241第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（5）物理放大率傳感器感光面積于視野的比值，整個參數(shù)基本取決于鏡頭系統(tǒng)放大率最后顯示環(huán)節(jié)上目標(biāo)的尺寸于實(shí)際目標(biāo)尺寸的比值。系統(tǒng)放大率取決于物理放大率和顯示系統(tǒng)的闡述。對于自動測量和檢測系統(tǒng)而言，物理放大率具有關(guān)鍵的意義。系統(tǒng)放大率僅僅對于需要人機(jī)交互進(jìn)行檢測的系統(tǒng)有意義第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料1.SENSOR:圖像傳感器；2.CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）:互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體；3.CCD（ChargeCoupledDevice）:電荷耦合器件；4.像素：感光器件上的基本感光單元，也是一幅圖像的基本單元；5.像素尺寸(pixelsize):感光像元的大小，像元越大，敏感度越高。如：10.6um*10.6um；6.分辨率(NumberofPixels)：感光器件/圖像的水平和垂直方向的像素?cái)?shù)（1024X1024）；7.信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）；8.幀/場：相機(jī)輸出的完整的一幅圖像為一幀，隔行信號一幀分為兩場時(shí)差20MS。幀率：相機(jī)每秒中能夠輸出圖像的幀數(shù)，對于模擬制式相機(jī)，這個頻率(pínlǜ)是固定值，對于數(shù)字相機(jī)，是個可變的值。二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（6）精品資料9.Binning：將幾個(jǐɡè)像素聯(lián)合起來作為一個像素使用，提高靈敏度，輸出速度，降低分辨率；10.快門速度：每幀圖像的曝光時(shí)間；CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。11.光譜響應(yīng)：感光器件在不同波段的感光程度；12.量子效率：光子轉(zhuǎn)化成電子的效率（以%表示）；13.快門方式（Shuttertype)：Rolling（滾動）快門：逐行曝光方式，多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時(shí)間不一致，拍攝高速運(yùn)動物體時(shí)出現(xiàn)拖尾。Global（全幀）快門：CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。全幀曝光方式，不會出現(xiàn)拖尾；14.AOI（AreaOfInterest）：感興趣區(qū)域；二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（7）精品資料15.靈敏度(Sensitivity):靈敏度是用來衡量傳感器探測光照能力的指標(biāo)。靈敏度越高，探測光的能力越強(qiáng)，越能探測到很弱的光；最低照度，又稱靈敏度，衡量相機(jī)對光線敏感程度的指標(biāo)。通常情況下是指相機(jī)獲得30％最大輸出值時(shí)候(shíhou)所需的照度。單位是Lux。16.滿阱容量(fullwellcapacity):傳感器是通過光電效應(yīng)來積累電子進(jìn)而輸出電壓。積累的電子存儲在勢阱中，勢阱越深，存儲的電子越多，能接受的光通量越大。滿阱容量用勢阱中能存儲的電子數(shù)來計(jì)量，滿阱容量越大，則相機(jī)的動態(tài)范圍越大，抗噪能力越強(qiáng)，但同時(shí)靈敏度也降低了，因?yàn)樾枰嗟墓庾硬拍軌蜉敵觯?7.增益：通過放大器對信號及噪聲的放大；18.物鏡接口方式（objectivemount):工業(yè)相機(jī)物鏡常用的兩種接口方式，即C接口和CS接口。C接口的相機(jī)可以安裝C和CS接口的物鏡，而CS接口的相機(jī)只能安裝同樣接口的物鏡；19.動態(tài)范圍(Dynamicrange):動態(tài)范圍等于滿阱電容量與讀出噪聲的比值，二者的單位都是“電子”，相除就約去了，因此動態(tài)范圍這個參數(shù)沒有量綱的；動態(tài)范圍表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態(tài)范圍越大，所能表現(xiàn)的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。它能同時(shí)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（8）精品資料20.白平衡（WhiteBalance）:

在各種不同的光線狀況下，目標(biāo)物的色彩會產(chǎn)生變化。在這方面，白色物體變化得最為明顯：在室內(nèi)鎢絲燈光(dēngguāng)下，白色物體看起來會帶有橘黃色色調(diào)，在這樣的光照條件下拍攝出來的景物就會偏黃；但如果是在蔚藍(lán)天空下，則會帶有藍(lán)色色調(diào)。在這樣的光照條件下拍攝出來的景物會偏藍(lán)。為了盡可能減少外來光線對目標(biāo)顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標(biāo)本來的色彩，這就需要攝像機(jī)進(jìn)行色彩校正，以達(dá)成正確的色彩平衡，就稱為白平衡調(diào)整。二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（9）精品資料21.伽瑪糾正技術(shù)是一項(xiàng)被在實(shí)際顯示中非線性響應(yīng)特征中被廣泛使用的技術(shù)。換句話說如果你傳寄出一個“2”的亮度信息至顯示器上，那么最終這個(zhège)像素并不會顯示出相當(dāng)于兩個“1”的亮度，這就需要由Gamma曲線響做一些的糾正，使色彩值看起來更加的自然。二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（10）精品資料第二(dìèr)講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)相機(jī)(xiàngjī)的基本概念（11）補(bǔ)充分辨率(Resolution)

模擬制式相機(jī)的分辨率取決于傳感器上像素的數(shù)目以及后期處理電路的質(zhì)量，數(shù)字相機(jī)的分辨率則直接取決與傳感器上像素的數(shù)目。感光器件上圖像的水平和垂直方向的像素?cái)?shù)（1024X1024）；480768640480760574美制RS–170Norm歐制CCIR-Norm第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料第二講：機(jī)器(jīqì)視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)相機(jī)(xiàngjī)的基本概念（12）補(bǔ)充傳感器的光譜下面是一個典型的CCD圖像傳感器對于不同光譜的響應(yīng)曲線。第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料ACEGBDFHScan&transferabcdefghefghBinning2*2相臨4個像素(xiànɡsù)的電荷相臨2像素(xiànɡsù)的電荷Binning的作用，在于，把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來。作為一個電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣做的效果，相當(dāng)于把幾個像素拼成了一個大像素使用。優(yōu)點(diǎn)，速度快。缺點(diǎn)，分辨率降低。二、工業(yè)相機(jī)的基本概念（13）補(bǔ)充精品資料ACEGBDFHScan&transferabcdefghVerticalBinninggh這部分的電荷累積(lěijī)并不能節(jié)省時(shí)間，所以Verticalbinning和binning2*2具有相同的速度優(yōu)勢二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（14）補(bǔ)充精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)相機(jī)(xiàngjī)的基本概念（15）補(bǔ)充信號格式

模擬圖像信號的格式包括：復(fù)合視頻信號，Y/C分離信號，RGB分量信號。絕大多數(shù)周邊設(shè)備都能夠兼容這些信號格式。通常情況下對于彩色視頻信號，Y/C分離傳輸?shù)姆绞絻?yōu)于復(fù)合視頻傳輸?shù)姆绞?，RGB分量傳輸?shù)姆绞接謨?yōu)于Y/C分離傳輸方式。數(shù)字相機(jī)的信號傳輸格式更為復(fù)雜，目前普遍應(yīng)用的包括：*IEEE-1394(FireWire)*USB2。0*CameraLink*Ethernet，包括傳輸未經(jīng)壓縮影像的千兆協(xié)議和傳輸經(jīng)過壓縮影像的百兆協(xié)議。上述數(shù)字相機(jī)的傳輸方式無論是在機(jī)械上還是在電氣上都是不兼容的。第二節(jié)工業(yè)相機(jī)精品資料GAIN通過(tōngguò)調(diào)節(jié)電壓放大環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)圖像亮度SNR對于同等光照條件SNR=A*T*C增大像素尺寸、binning、長時(shí)間積分GAIN增大，SNR會變小二、工業(yè)(gōngyè)相機(jī)的基本概念（16）補(bǔ)充精品資料按成像色彩劃分(huàfēn)彩色工業(yè)相機(jī)黑白工業(yè)相機(jī)按感光芯片工藝劃分(huàfēn)COMS工業(yè)相機(jī)CCD工業(yè)相機(jī)按信號輸出類型劃分(huàfēn)數(shù)字工業(yè)相機(jī)模擬工業(yè)相機(jī)按感光芯片類型劃分(huàfēn)線陣工業(yè)相機(jī)面陣工業(yè)相機(jī)三、工業(yè)相機(jī)分類（1）精品資料彩色形成(xíngchéng)，需要同一點(diǎn)的R/G/B三原色的數(shù)值。用空間疊放的三片CCD，分別感R，G，B光，并在感光后過濾掉相應(yīng)色光。利用棱鏡，將光線折射成三部分。在R，G，B三束光線的方向上分別帖上三片感光片，各自感光。利用BAYER濾光片，讓相臨四個像素分別只能接收R，G,G，B光。每個像素輸出的信息只是相應(yīng)色光的灰度值。之后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個像素的彩色信息其實(shí)是不獨(dú)立的，依賴于相臨像素的信息。SUPERCCD，一個蜂窩型的CCD感光片，每個像素被使用3次，相當(dāng)于增大了有效像素?cái)?shù)量。工業(yè)相機(jī)(xiàngjī)分類（1）補(bǔ)充：色彩的形成精品資料許多系統(tǒng)分析師本能(běnnéng)的選擇彩色相機(jī)，因?yàn)樗麄冇X得一幅黑白圖象要比彩色圖象要差，這是錯誤的。黑白相機(jī)輸出灰階圖象，每個象素點(diǎn)會根據(jù)光通量來賦予一個數(shù)值，每個象素產(chǎn)生的信息只與亮度有關(guān)，與顏色無關(guān)。為了檢測顏色，需要一個馬賽克慮光片，這樣就限制了感光芯片的分辨率。結(jié)果，黑白相機(jī)一般會比同類的單芯片彩色相機(jī)的分辨率要高10％。黑白相機(jī)有較高的分辨率，較好的信噪比，增強(qiáng)的光靈敏度，對比度也會比同類的彩色相機(jī)要高。彩色的圖象需要更多的處理時(shí)間，但并不會產(chǎn)生更多關(guān)于物體的有用信息

工業(yè)相機(jī)分類（1）補(bǔ)充：色彩(sècǎi)的形成精品資料第二講：機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)(jìshù)硬件基礎(chǔ)知識按輸出信號區(qū)分模擬信號相機(jī)從傳感器中傳出的信號，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓(diànyā)信號，即普通視頻信號，后再傳到圖像采集卡中。數(shù)字信號相機(jī)信號自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。第二節(jié)工業(yè)相機(jī)工業(yè)相機(jī)分類（1）補(bǔ)充：信號分類精品資料CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管，該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對應(yīng)。

周邊組件：CCD：感光二極管和一個用于控制相鄰電荷的存儲單元。CMOS：感光二極管和放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。結(jié)論：CMOS有效感光比率低，感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果(jiēguǒ)上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯。

工業(yè)相機(jī)分類(fēnlèi)（1）補(bǔ)充：COMS和CCD比較精品資料工業(yè)相機(jī)分類(fēnlèi)（1）補(bǔ)充：COMS和CCD比較信號放大：CMOS：每個像素都有模擬放大器，每個像素捕獲的光電子都經(jīng)過獨(dú)立的有模擬放大器進(jìn)行放大，其放大比率并不一致，導(dǎo)致圖像噪音大。CCD：光元件生成的電信號實(shí)在太微弱了，無法直接進(jìn)行模數(shù),CCD有專門的放大器進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換工作，其放大比率一致，因而成像效果(xiàoguǒ)非常不錯；功耗：CMOS：感光二極管所產(chǎn)生的電荷直接由晶體管放大輸出，這種做法雖然導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲，但也令CMOS傳感器擁有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。CCD：必須借助外來電壓才能讓每個感光元件中的電荷移動，這個外加電壓的強(qiáng)度通常都達(dá)到12-18V，這導(dǎo)致耗費(fèi)較多的能源（最高可達(dá)同規(guī)模CMOS傳感器的十倍之多），發(fā)熱量也明顯高于CMOS產(chǎn)品。由于需要外來電壓，CCD傳感器也就需要包括PowerIC在內(nèi)的電源管理電路，設(shè)計(jì)難度也遠(yuǎn)高于CMOS產(chǎn)品。精品資料工業(yè)相機(jī)分類(fēnlèi)（1）補(bǔ)充：COMS和CCD比較制造工藝CMOS：采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，加之CMOS的每個感光元件相互獨(dú)立，即便有若干個元件出問題，也不會影響傳感器的完整性。CCD：采用電荷傳遞的方式傳送電信號，只要有其中的一個感光元件無法工作，信號傳輸將無法繼續(xù)，一整排的圖像信號將因此缺失，情況嚴(yán)重的話將導(dǎo)致整枚傳感器芯片因此報(bào)廢。由于(yóuyú)制造工藝不同，CCD傳感器本體與周邊電路無法整合，無法實(shí)現(xiàn)整個模塊小型化。結(jié)論：CMOS的成品率要比CCD高出許多，這就決定了CMOS在制造成本方面擁有絕對的優(yōu)勢。

精品資料CMOS優(yōu)勢：制造成本、功能集成、功耗特性等三方面對于CCD有一定的優(yōu)勢。CCD優(yōu)勢：捕光靈敏度、像素規(guī)模及噪聲控制等方面優(yōu)于CMOS。CMOS傳感器領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)：1.通過增大傳感器尺寸，增強(qiáng)相機(jī)的光學(xué)輸入能力，成功解決了CMOS傳感器捕光靈敏度弱和分辨率較低的難題—雖然大尺寸CMOS成本較高，但CMOS的低成本優(yōu)勢很好彌補(bǔ)了這一點(diǎn)；2.面對CMOS噪聲較為嚴(yán)重的問題，各廠商通過對放大器邏輯進(jìn)行改進(jìn)，引入專門的降噪技術(shù)等措施很好地緩解了噪聲現(xiàn)象，最終使之達(dá)到不遜于CCD的水平(shuǐpíng)；3.針對CMOS光敏感度低，采用微透鏡覆蓋在感光像元上，加強(qiáng)感光像元的感光能力。工業(yè)(gōngyè