原创工业摄像机

 2011-4-25 10:46  5552 9 9 分类: 消费电子

工业摄像机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选型不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。

传感器是相机的核心部件，目前相机常用的感光芯片有CCD和CMOS两类：
1、传感器的尺寸
图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3 (H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1：1，16：9，3：2 etc。

2、CCD摄像机，CCD称为电荷耦合器件，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。目前常用CCD有3种结构，全帧转移、帧传输、行转移。
CMOS摄像机，CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。

尽管CCD表示“电荷耦合器件”而CMOS表示“互补金属氧化物半导体”，但是不论CCD或者CMOS对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像半导体”，CCD和CMOS传感器实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”，图像半导体是一个P N结合半导体，能够转换光线的光子爆炸结合处成为成比例数量的电子。电子的数量被计算信号的电压，光线进入图像半导体得越多，电子产生的也越多，从传感器输出的电压也越高。
　　因为人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到的照度范围在0.1~3Lux，是CMOS传感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD摄像机的图像质量要优于CMOS摄像机。
　　CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。CMOS摄像机存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低等问题，1989年后出现了“有源像敏单元”结构，不仅有光敏元件和像敏单元的寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度、减小了噪声，扩大了动态范围，使得一些参数与CCD摄像机相近，而在功能、功耗、尺寸和价格方面要优于CCD，逐步得到广泛的应用。CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度，因此非常适用于特殊应用。CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快，这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到100000帧/秒。

CCD 与 CMOS 的比较 ：
噪点：由于 CMOS 每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 传感器相比， CMOS 传感器的噪点就会增加很多，影响图像品质。
耗电量： CMOS 传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；而 CCD 传感器为被动式采集，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要 12~18V ，因此 CCD 还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的耗电量远高于 CMOS 。 CMOS 的耗电量仅为 CCD 的 1/8 到 1/10 。
成本：由于 CMOS 传感器采用一般半导体电路最常用的 CMOS 工艺，可以轻易地将周边电路 ( 如 AGC 、 CDS 、 Timing generator 或 DSP 等 ) 集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；而 CCD 采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制 CCD 传感器的成品率比 CMOS 传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50% 的水平，因此， CCD 传感器的制造成本会高于 CMOS 传感器。

CCD 与 CMOS 传感器的前景：
CCD 在影像品质等方面均优于 CMOS ，而 CMOS 则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着 CCD 与 CMOS 传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减小，新一代的 CCD 传感器一直在功耗上作改进，而 CMOS 传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。

传感器的曝光方式：
行曝光和帧曝光，由曝光方式决定了相机是应用于静止还是运动物体的抓拍。

按输出图像信号格式又分为：
1、模拟摄像机
模拟摄像机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号，需要配专用的图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。模拟摄像机一般用于电视摄像和监控领域，具有通用性好、成本低的特点，但一般分辨率较低、采集速度慢，而且在图像传输中容易受到噪声干扰，导致图像质量下降，所以只能用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。常用的摄像机输出信号格式有：
　　PAL（黑白为CCIR），中国电视标准，625行，50场
　　NTSC（黑白为EIA），日本电视标准，525行，60场
　　SECAM
　　S-VIDEO

2、数字摄像机
数字摄像机是在内部集成了A/D转换电路，可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息，不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题，而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约，对外的信号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议，可以做成各种分辨率的形式，出现了目前数字摄像机百花齐放的形势。常见的数字摄像机图像输出标准有：
　　IEEE1394
　　USB2.0
　　DCOM3
　　RS-644 LVDS
　　Channel Link LVDS
　　Camera Link LVDS
　　千兆网
　

按像元排列方式划分:
1、面阵摄像机
　　面阵摄像机是我们常见的形式，其像元是按行列整齐排列的，每个像元对应图像上的一个像素点，我们一般所说的分辨率就是指像元的个数。需要指出的是我们计算机中的彩色图像一般是每个像素点由R、G、B三个值来表示，但我们一般的彩色摄像机却并不是这样的，下面分别进行介绍：
　　黑白摄像机，每个像素点对应一个像元，该像元对于各种波长的光具有较一致的敏感度，采集得到的只是每个像素点的灰度值。
　　采用BAYER转化的单片彩色摄像机，这种摄像机的每个像素点实际只对应R、G、B三种之一的像元，R、G、B三种像元按一定的规律排列，我们实际所得到的每个像素点的R、G、B三原色的数值是根据该像素点及其周围若干点的三色数值进行BAYER插分计算而来的，所以这种摄像机所得到的图像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是对应边缘位置会有较明显的色彩失真和细节的丢失。目前我们常见的彩色摄像机一般是这种形式的，其价格和同档次的黑白摄像机相近。
　
BAYER彩色摄像机原理图

　　3CCD彩色摄像机，这种摄像机每个像素点对应有R、G、B三个感光元件，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上，分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值（见下图）。这种摄像机得到的图像质量好，没有细节丢失的问题，但由于摄像机结构复杂，所以一般较昂贵。另外由于这种摄像机采用了分光棱镜的方式，光线到达每个CCD靶面的光程是不一样的，所以需要镜头做针对性的设计才能达到比较好的图像效果，所以使用3CCD的摄像机还需要配备专用的镜头。
3CCD彩色摄像机原理图

2、线阵摄像机
　　线阵摄像机是一种比较特殊的形式，其像元是一维线状排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的图像数据，只有当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。所以在机器视觉系统中一般用于被测物连续运动的场合，尤其适合于运动速度较快、分辨率要求较高的情况。
　　黑白摄像机，也是最常用的线阵摄像机，每个像素点对应一个像元，采集得到的是灰度图像。
　　3Line彩色摄像机，该摄像机的具有R、G、B三行像元，分别对红、绿、兰三种波长的光敏感，所以每个像素点都会对应R、G、B三个通道的数值，形成彩色的图像数据。需要注意的是，由于R、G、B三行像元在同一时刻所采集的并非同一位置的信息（见图），在实际应用中需要进行运动校正才能得到所需的彩色图像。一般的摄像机都提供内部进行运动校正处理的功能，但对于对比度非常高的图像边缘还是容易出现色彩失真的现象。
　　3CCD彩色摄像机，与面阵的3CCD摄像机原理相同，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上，分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值。图像质量好，但需配备专用镜头。

工业摄像机主要参数：
1.分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。
2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz）。
4. 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机机还可以更快。
5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字相机机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
6. 光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

对数字相机而言还有如下参数：
7.增益：又叫作对比度，它主要是定义信号的放大倍数，增益越大细节越清晰，但噪声也越大，增益越小细节越模糊，噪声也越小。
8.白平衡：它一般使用在彩色图像中，在彩色图像中一般使用三基色表示，三基色信号分别通过各自的通道进行放大、滤波、数模转换。由于种种原因，三个通道不可能完全平衡，因此在还原图像时会发现彩色失真，因此必须进行调整，使三个通道达到平衡，处理的过程就是将已知的黑白信号作为信号源，以一个同道的数据作为基准，分别计算另两个通道的数据使其等于基准通道的数据，计算准则是三个通道的数据应相等，计算后得到三个通道的系数，在实际使用中，将三个系数分别与对应通道数据相乘，这样经白平衡获取的图像就会减小彩色失真。

工业相机的发展趋：

1、数字相机最终将取代传统模拟相机
2、CMOS芯片最终将取代传统CCD芯片
3、CAMERALINK数字接口技术将流行
4、FIREWIRE数字接口采集卡将被广泛使用
5、专业的机器视觉专用相机将成为发展趋势

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