深度解析工業(yè)視覺基礎(chǔ)之工業(yè)相機(jī)技術(shù)

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工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)又稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上的工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD（Charge CoupledDevice）或CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。 ?

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相機(jī)分類

按照芯片類型：CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性：線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；

按照掃描方式:隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；

按照分辨率：普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；

按照輸出信號(hào)方式：模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；

按照輸出色彩：單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；

按照輸出信號(hào)速度：普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；

按照響應(yīng)頻率范圍：可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

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CCD和CMOS

CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器。CCD相機(jī)由防塵片、傳感器芯片、FPGA、RAM和ROM、火線口和I/O接口等組成。 ? 工作原理：被攝物體一方的光線經(jīng)過光學(xué)鏡頭聚焦至CCD芯片上，在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖下CCD完成光電荷的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀取、從而將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。 ??

CMOS圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70?年代初，90?年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路?(VLSI)?制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS指的是制造圖像傳感器的過程而不是特定的成像技術(shù)。 ? CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。

區(qū)別：當(dāng)強(qiáng)光照射CCD傳感器時(shí)，采集的圖像中會(huì)出現(xiàn)光暈(Blooming)?和拖尾(Smear)現(xiàn)象,嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

解決方法：調(diào)整相機(jī)增益；減少光線或者曝光時(shí)間，增加CCD讀出速率；選擇CMOS芯片（結(jié)構(gòu)上解決）。?

相機(jī)基本術(shù)語

像素：感光器件上的基本感光單元，即相機(jī)識(shí)別到的圖像上的最小單元（圖中的每一個(gè)小格就是一個(gè)像素）。

像元與像元尺寸：像元是芯片的組成單位，是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的基本單元。像元尺寸一般為微米級(jí)（3-10微米） ? 像元深度：每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，對(duì)于黑白相機(jī)來說，像元深度定于灰度由暗到亮的灰階數(shù)。一般常用的是8bit，還有10bit，12bit等。

曝光時(shí)間：是指相機(jī)從快門打開到關(guān)閉的時(shí)間間隔，曝光時(shí)間越長，圖片越亮，同時(shí)，抗震動(dòng)能力越差。對(duì)運(yùn)動(dòng)物體拍攝時(shí)，曝光時(shí)間越長，產(chǎn)生的拖影越長。過長的曝光時(shí)間會(huì)使相機(jī)的幀率降低。

分辨率：圖像上單個(gè)單個(gè)像素所代表的實(shí)際尺寸，分辨率=視野/像素?cái)?shù)（同方向）。 ? 幀率：單位為FPS（frame per second），即幀/秒，指相機(jī)每秒鐘能采集多少幅圖像，1幅圖像為1幀。例如15幀/秒，表示相機(jī)一秒鐘最大能采集15幅圖像。一般來說，分辨率越大的相機(jī)，幀率越低。最高幀率是相機(jī)的重要性能參數(shù)之一，主要取決于采集速度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度和數(shù)據(jù)傳輸速度。 ? 行頻：線陣工業(yè)相機(jī)的速度即行頻的單位是KHz。比如：12KHz表示線陣工業(yè)相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。 ? 增益：將圖片的數(shù)字信息同時(shí)擴(kuò)大，當(dāng)圖片比較昏暗時(shí)，可以增加對(duì)比度和亮度，提高成像效果。但是當(dāng)圖片已經(jīng)很亮?xí)r，擴(kuò)大增益會(huì)適得其反。 ?

噪聲：相機(jī)芯片電路和信號(hào)傳輸電路中形成的干擾信號(hào)，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)非實(shí)物反映的圖像。拖影：拍攝運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，同一物體，在圖片上重復(fù)成像的現(xiàn)象。 ?

編輯：黃飛