1、機器視覺中的圖像采集技術機器視覺中的圖像采集技術（硬件基礎知識）（硬件基礎知識）第二講第二講第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識 基本結構基本結構 基本概念基本概念 分類與發展趨勢分類與發展趨勢 數字工業相機的傳數字工業相機的傳輸接口輸接口第一節第一節 工業相機工業相機第二節第二節 工業相機工業相機內容提要內容提要第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識一、工業相機的基本結構一、工業相機的基本結構Digital Image Processing Module數字圖像處理模塊 Lens Mount

2、IR FilterImage SensorDrive Circuit驅動電路 Transmitting Controller 發射控制器 Video Signal視頻信號 Channel to control the camera 通道控制 相機 第二節第二節 工業相機工業相機第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（1）q 傳感器的尺寸傳感器的尺寸 圖像傳感器感光區域的面積大小。這個尺寸直圖像傳感器感光區域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統的物理放大率。如：接決定了整個系統的物理放大率。如：1/

3、3“、1/2”等。絕大多數模擬相機的傳感器的長寬比例等。絕大多數模擬相機的傳感器的長寬比例是是4：3 (H：V)，數字相機的長寬比例則包括多，數字相機的長寬比例則包括多種：種：1：1，16：9，3：2 etc。第二節第二節 工業相機工業相機線掃描相機：線掃描相機： 用像素的一條線來成像，像在這條線的垂直方向移動。傳感器獲取一行數據，讀用像素的一條線來成像，像在這條線的垂直方向移動。傳感器獲取一行數據，讀出后再獲取另一行數據。像的運動就提供了一個二維空間。線掃描相機可以有幾出后再獲取另一行數據。像的運動就提供了一個二維空間。線掃描相機可以有幾K個像個像素，因此可提供高分辨率的像。許多線掃描相機能

4、夠有較高的數據速率。這種相機和素，因此可提供高分辨率的像。許多線掃描相機能夠有較高的數據速率。這種相機和采集卡的缺點是價錢較高。線掃描相機最多用在網狀探測中，這里網連續的在相機的采集卡的缺點是價錢較高。線掃描相機最多用在網狀探測中，這里網連續的在相機的成像視場中移動。成像視場中移動。線掃描相機具有靈敏度高，動態范圍大，性價比高等特點。線掃描線掃描相機具有靈敏度高，動態范圍大，性價比高等特點。線掃描CCD相機的主相機的主要優點是：要優點是： 在高分辨率應用中，低成本提高分辨率在高分辨率應用中，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的填充因子（感光面積與整個像素面積之比

5、） 動態范圍高動態范圍高 拍攝高速運動的物體時無需附加復雜的快門裝置就能實現無拍攝高速運動的物體時無需附加復雜的快門裝置就能實現無 smear輸出輸出線掃描相機系統的重點元素線掃描相機系統的重點元素 運動平穩運動平穩 速度跟蹤精度高速度跟蹤精度高 光源強度要求高光源強度要求高 二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（2）第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（3）q 相機掃描方式相機掃描方式 隔行掃描（隔行掃描（ Interlace ），模擬相機一般都是隔行），模擬相機一般都是隔行掃描。掃描

6、。請問如果是拍運動物體的話，會出現什么情請問如果是拍運動物體的話，會出現什么情況？怎么解決況？怎么解決?35246第二節第二節 工業相機工業相機第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（4）q 相機掃描方式相機掃描方式 逐行掃描（逐行掃描（ Progressive scan ）,數字相機一般都逐數字相機一般都逐行掃描，行掃描，CCD和和COMS芯片在運動拍攝會出現什么情況？芯片在運動拍攝會出現什么情況？35241第二節第二節 工業相機工業相機第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺

7、中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（5）q 物理放大率物理放大率 傳感器感光面積于視野的比值，整個參數基本傳感器感光面積于視野的比值，整個參數基本取決于鏡頭取決于鏡頭q 系統放大率系統放大率 最后顯示環節上目標的尺寸于實際目標尺寸的最后顯示環節上目標的尺寸于實際目標尺寸的比值。系統放大率取決于物理放大率和顯示系統比值。系統放大率取決于物理放大率和顯示系統的闡述。對于自動測量和檢測系統而言，物理放的闡述。對于自動測量和檢測系統而言，物理放大率具有關鍵的意義。系統放大率僅僅對于需要大率具有關鍵的意義。系統放大率僅僅對于需要人機交互進行檢測的系統有意義人機交互

8、進行檢測的系統有意義第二節第二節 工業相機工業相機1.SENSORSENSOR:圖像傳感器；2.CMOSCMOS（Complementary Metal Oxide SemiconductorComplementary Metal Oxide Semiconductor）: : 互補型金屬氧化物半導體；3.CCDCCD（Charge Coupled DeviceCharge Coupled Device）:電荷耦合器件；4.像素像素：感光器件上的基本感光單元，也是一幅圖像的基本單元；5.5. 像素尺寸像素尺寸(pixel size):(pixel size):感光像元的大小，像元越大，敏感度越

9、高。如：10.6um*10.6um；6.分辨率分辨率(Number of Pixels)(Number of Pixels)：感光器件/圖像的水平和垂直方向的像素數（1024X1024）； 7.信噪比信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB） ；8.幀幀/ /場場： 相機輸出的完整的一幅圖像為一幀，隔行信號一幀分為兩場 時差20MS。幀率：相機每秒中能夠輸出圖像的幀數，對于模擬制式相機，這個頻率是固定值，對于數字相機，是個可變的值。二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（6）9.Binning9.Binning：將幾個像素聯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、10.快門速度快門速度：每幀圖像的曝光時間； CCD/CMOS相機多數采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時間。對于一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。11.光譜響應：光譜響應：感光器件在不同波段的感光程度；12.量子效率：量子效率：光子轉化成電子的效率（以%表示）；13.快門方式（快門方式（Shutter type)Shutter type)： Rolling（滾動）快門：逐行曝光方式，多數CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致，拍攝高速運動物體時出現拖尾。 Global（全幀）快門：CCD傳感器和極

11、少數CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時刻曝光。全幀曝光方式，不會出現拖尾；14.AOI14.AOI（Area Of InterestArea Of Interest）：）：感興趣區域；二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（7）15.15.靈敏度靈敏度(Sensitivity):(Sensitivity):靈敏度是用來衡量傳感器探測光照能力的 指標。靈敏度越高，探測光的能力越強，越能探測到很弱的光；最低照度，又稱靈敏度，衡量相機對光線敏感程度的指標。通常情況下是指相機獲得30最大輸出值時候所需的照度。單位是Lux。16.16.滿阱容量滿阱容量(full well capac

12、ity):(full well capacity): 傳感器是通過光電效應來積累電子進而輸出電壓。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來計量，滿阱容量越大，則相機的動態范圍越大，抗噪能力越強，但同時靈敏度也降低了，因為需要更多的光子才能夠輸出； 17.增益增益：通過放大器對信號及噪聲的放大 ；18.18.物鏡接口方式（物鏡接口方式（objective mount):objective mount): 工業相機物鏡常用的兩種接口方式，即C接口和CS接口。C接口的相機可以安裝C和CS接口的物鏡，而CS接口的相機只能安裝同樣接口的物鏡；

13、19.19.動態范圍動態范圍 (Dynamic range ):(Dynamic range ): 動態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，因此動態范圍這個參數沒有量綱的；動態范圍表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態范圍越大，所能表現的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。它能同時記錄的暗部細節和亮部細節越豐富。二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（8）20.20.白平衡（白平衡（White BalanceWhite Balance）: :在各種不同的光線狀況下，目標物的色彩會產生變化。在這方面，在各種不同的光線狀況下，目標物的色彩會

14、產生變化。在這方面，白色物體變化得最為明顯：在室內鎢絲燈光下，白色物體看起來白色物體變化得最為明顯：在室內鎢絲燈光下，白色物體看起來會帶有橘黃色色調，在這樣的光照條件下拍攝出來的景物就會偏會帶有橘黃色色調，在這樣的光照條件下拍攝出來的景物就會偏黃；但如果是在蔚藍天空下，則會帶有藍色色調。在這樣的光照黃；但如果是在蔚藍天空下，則會帶有藍色色調。在這樣的光照條件下拍攝出來的景物會偏藍。為了盡可能減少外來光線對目標條件下拍攝出來的景物會偏藍。為了盡可能減少外來光線對目標顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標本來顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標本來的色彩，這就需要攝像

15、機進行色彩校正，以達成正確的色彩平衡，的色彩，這就需要攝像機進行色彩校正，以達成正確的色彩平衡，就稱為白平衡調整。就稱為白平衡調整。二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（9）21.21.伽瑪糾正技術是一項被在實際顯示中非線性響應特征中被伽瑪糾正技術是一項被在實際顯示中非線性響應特征中被廣泛使用的技術。換句話說如果你傳寄出一個廣泛使用的技術。換句話說如果你傳寄出一個“2 2”的亮度信的亮度信息至顯示器上，那么最終這個像素并不會顯示出相當于兩個息至顯示器上，那么最終這個像素并不會顯示出相當于兩個“1 1”的亮度，這就需要由的亮度，這就需要由GammaGamma曲線響做一些的糾正，使色彩曲

16、線響做一些的糾正，使色彩值看起來更加的自然。值看起來更加的自然。二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（10）第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（11）補充）補充q 分辨率(Resolution) 模擬制式相機的分辨率取決于傳感器上像素的數目以及后期處理電路的質量，數字相機的分辨率則直接取決與傳感器上像素的數目。感光器件上圖像的水平和垂直方向的像素數（1024X1024）； 480768640480760574美制美制 RS RS 170 Norm 170 Norm歐制歐制 CCIR -

17、 NormCCIR - Norm第二節第二節 工業相機工業相機第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（12）補充）補充q 傳感器的光譜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曲線。第二節第二節 工業相機工業相機ACEGBDFHScan & transferab cd efghefghBinning 2*2相臨4個像素的電荷相臨2像素的電荷Binning 的作用，在于，把相臨幾個像素所積累的電荷累加起來。作為一個電荷進行轉換。這樣做的效果，相當于把幾個像素拼成了一個大像素

18、使用。優點，速度快。缺點，分辨率降低。二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（13）補充）補充ACEGBDFHScan & transferab cd efghVertical Binninggh這部分的電荷累積并不能節省時間，所以Vertical binning和 binning 2*2具有相同的速度優勢二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（14）補充）補充第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（15）補充）補充q 信號格式模擬圖像信號的格式包括：復合視頻信號，Y/C分離

19、信號，RGB分量信號。絕大多數周邊設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分離傳輸的方式優于復合視頻傳輸的方式，RGB分量傳輸的方式又優于Y/C分離傳輸方式。 數字相機的信號傳輸格式更為復雜，目前普遍應用的包括： *IEEE-1394(Fire Wire) *USB2。0 *CameraLink *Ethernet，包括傳輸未經壓縮影像的千兆協議和傳輸經過壓縮影像的百兆協議。 上述數字相機的傳輸方式無論是在機械上還是在電氣上都是不兼容的。第二節第二節 工業相機工業相機GAIN 通過調節電壓放大環節調節圖像亮度SNR 對于同等光照條件 SNR=A * T * C增大像素尺寸

20、、binning、長時間積分GAIN 增大，SNR會變小二、工業相機的基本概念（二、工業相機的基本概念（16）補充）補充按成像色彩劃分 彩色工業相機 黑白工業相機按感光芯片工藝劃分 COMS工業相機 CCD工業相機按信號輸出類型劃分 數字工業相機 模擬工業相機按感光芯片類型劃分 線陣工業相機 面陣工業相機三、工業相機分類（三、工業相機分類（1）彩色形成，需要同一點的R/G/B三原色的數值。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

21、收R， G,G，B光。每個像素輸出的信息只是相應色光的灰度值。之后，通過軟件合成為彩色。這樣，每個像素的彩色信息其實是不獨立的，依賴于相臨像素的信息。SUPER CCD ，一個蜂窩型的CCD感光片，每個像素被使用3次，相當于增大了有效像素數量。工業相機分類（工業相機分類（1）補充：色彩的形成）補充：色彩的形成 許多系統分析師本能的選擇彩色相機，因為他們覺得一幅黑白圖象要比彩色圖象要差，這是錯誤的。 黑白相機輸出灰階圖象 ，每個象素點會根據光通量來賦予一個數值，每個象素產生的信息只與亮度有關，與顏色無關 。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。結果，黑白相機一般會比同

22、類的單芯片彩色相機的分辨率要高10。黑白相機有較高的分辨率，較好的信噪比，增強的光靈敏度，對比度也會比同類的彩色相機要高 。 彩色的圖象需要更多的處理時間，但并不會產生更多關于物體的有用信息 工業相機分類（工業相機分類（1）補充：色彩的形成）補充：色彩的形成第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識第二講：機器視覺中的圖像采集技術硬件基礎知識q 按輸出信號區分 模擬信號相機模擬信號相機從傳感器中傳出的信號，被轉換成模擬電壓信號，即普通視頻信號，后再傳到圖像采集卡中。 數字信號相機數字信號相機信號自傳感器中的像素輸出后，在相機內部直接數字化并輸出。第二節第二節 工業相機工業相機工業相機分類（工

23、業相機分類（1）補充：信號分類）補充：信號分類 CCD/CMOSCCD/CMOS感光元件的核心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生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。 周邊組件：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轉換電路 。 結論： 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；體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細節丟失情況嚴重且噪聲明顯 。 工業相機分類（工業相機分類（1）補充：）補充：COMS和和C

24、CD比較比較工業相機分類（工業相機分類（1）補充：）補充：COMS和和CCD比較比較信號放大：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過獨立的有模擬放大器進行放大，其放大比率并不一致，導致圖像噪音大。 CCD：光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進行模數,CCD 有專門的放大器進行統一轉換工作，其放大比率一致，因而成像效果非常不錯；功耗：功耗： CMOS：感光二極管所產生的電荷直接由晶體管放大輸出，這種做法雖然導致嚴重的噪聲，但也令CMOS傳感器擁有超低功耗的優點。 CCD：必須借助外來電壓才能讓每個感光元件中的電荷移動，這個外加電壓的強度通常都達到12-18

25、V，這導致耗費較多的能源（最高可達同規模CMOS傳感器的十倍之多），發熱量也明顯高于CMOS產品。由于需要外來電壓，CCD傳感器也就需要包括Power IC在內的電源管理電路，設計難度也遠高于CMOS產品。 工業相機分類（工業相機分類（1）補充：）補充：COMS和和CCD比較比較制造工藝制造工藝 CMOS：采用標準的CMOS半導體芯片制造技術，很容易實現大批量生產，加之 CMOS的每個感光元件相互獨立，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，一整排的圖像信號將因此缺失，情況嚴重的話將導致整枚傳感器芯片因此報廢。由于制造工藝不同，CCD傳感器本體與周邊電路無法整合 ，無法實現整個模塊小型化 。結論：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勢 。 CMOS優勢：制造成本、功能集成、功耗特性等三方面對 于CCD有一定的優勢。CCD優勢：捕光靈敏度、像素規模及噪聲控制等方面優于CMOS。 CMOS傳感器領域出現的新技術 ： 1.通過增大傳感器尺寸，增強相機的光學輸入能力，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