机器视觉 - 相机
在机器视觉中,相机的作用是将通过镜头的光信号转换为电信号,其中最重要的组成部件是数字传感器,最为常用的有CCD(Charge-coupled device)和CMOS(cnmplementary metal-oxide semiconductor)两种。
1.CCD于CMOS的区别
(1)成像过程
CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;CMOS 则以类似 DRAM的方式读出信号,并行读取,电路简单,读出速率高。
CCD数据读取结构图
CMOS图像读取结构图
(2)集成度
采用特殊技术的CCD读出电路比较复杂,很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要 3~8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。
借助于大规模集成制造工艺,CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。
(3)电源、功耗和体积
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS光电传感器只需使用一个电源(3V~5 V),耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,高度集成CMOS 芯片可以做的相当小,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
(4)性能指标
CCD电荷耦合器制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。而 CMOS 正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端CMOS图像质量暂时不如CCD,但有些指标(如传输速率等方面)已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点,国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。
2. CCD与CMOS图像传感器的硬件技术指标
(1)像素
传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷,从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中,每一个感光单元对应一个像素(Pixels),像素越多,代表着它能够感测到更多的物体细节,从而图像就越清晰,像素越高,意味着成像效果越清晰。
(2)靶面尺寸
图像传感器感光部分的大小,一般用英寸来表示。和电视机一样,通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度,如 常见的有1/3英寸,靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量,而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。
CMOS和CCD可以输出多种不同规格的分辨率,但一般都会满足某种视频信号标准,如:
VGA:640*480
XGA:1024*768
SXGA:1280*1024
UXGA:1600*1200
QXGA:2048*1536
(3)感光度
通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高,这在拍摄运动物体,夜间监控的时候尤其显得重要。这就是解释了为什么不同的摄像机夜视会有很大差别,感光度的单位是V/LUX-SEC,V(伏)就是我们通常说的电压的单位,LUX-SEC:是光强弱的单位,这个比值越大,夜视效果越好
(4)电子快门
相对照相机的机械快门功能提出的一个术语。其控制图像传感器的感光时间,由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累,感光越长,信号电荷积累时间也越长,输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快,感光度越低,适合在强光下拍摄。
(5)帧率
既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/秒(即15帧)的时候, 人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24幅/s~30幅/s(即24帧到30帧)之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。
(6)信噪比
信号电压对于噪声电压的比值,信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,使得噪声电平也相应提高。
信噪比的典型值为45~55dB,若为50dB,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为60dB,则图像质量优良,不出现噪声,信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系的图像中噪点的数量,信噪比越高,给人感觉画面越干净,夜视的画面中点状的噪点就越少
3.工业相机参数
(1)分辨率
相机每次采集图像的像素点数,一般对应于光电传感器靶面排列的像元数,如1920*1080。
(2)像素深度
每位像素数据的位数,常见的是8bit,10bit,12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素,则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M(1024bit=1KB,1024KB=1M)。增加像素深度可以增强测量的精度,但同时也降低了系统的速度,并且提高了系统集成的难度(线缆增加,尺寸变大等)。
(3)最大帧率/行频
相机采集和传输图像的速度,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec),对于线阵相机为每秒采集的行数(HZ)。
(4)曝光的方式和快门速度
工业线阵相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;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式,工业数字相机一般都提供外触发采图的功能,快门速度一般可到10ms,高速相机还会更快。
(5)像元尺寸
像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般位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
是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围为350nm~1000nm,一些相机在靶面前面加了一个滤镜,滤除红外线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。
(7)工业相机噪声
噪声是指成像过程中不希望被采集到的,实际成像目标之外的信号。总体上分为两类,一类是由有效信号带来的散粒噪声,这种噪声对任何相机都存在;另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声,每台相机的固有噪声都不一样。
(8)信噪比
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值(有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值),代表了图像的质量,图像信噪比越高,相机性能和图像质量越好。
4.工业相机输出接口及相关遵从协议
工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器,那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理,则有多种输出接口选择,但必须和采集卡的接口一致,通常有以下几种方式:
(1)USB接口 - USB3 Vision
USB接口直接输出数字图像信号,串行通信,支持热拔插,传输速度在120Mbps-480Mbps之间,会占用CPU资源。传输距离较短,稳定性稍差。
目前广泛采用的USB2.0接口,是最早应用的数字接口之一,具有开发周期短,成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢,传输数据过程需要CPU参与管理,占用资源,且由于接口没有螺丝固定,链接容易松动,最新的USB3.0接口使用了新的USB协议,可以更快的传输数据。
(2)1394a/1394b接口 - IIDC DCAM
俗称火线接口,是美国电气和电子工程师学会(IEEE)制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集,数据传输率可达800Mbps,支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡,使用不方便,且由于早期苹果对该技术的垄断,市场普及率较低,已慢慢被市场所淘汰。
(3)Gige接口 - GiGe Vision
千兆以太网接口,PC标准接口,传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准,特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点,使用方便,CPU资源占用少,可多台同时使用。
(4)Camera Link接口- Camlink
需要单独的Camera Link采集卡,成本较高,便携性低,实际应用中较少,但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式,一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用,价格昂贵。
5.相机输出图像格式
(1)Bayer(每个像素8、10、12位)
(2)RGB(每个通道8、10、12位)
(3)YUV(每像素12位4:1:1,每像素16位4:2:2,每像素24位4:4:4,)
6.相机选型关注
(1)分辨率(Resolution);
(2)像素深度(Pixel Depth);
(3)最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate);
(4) 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter);
(5)像元尺寸(Pixel Size);
(6) 光谱响应特性(Spectral Range);