機器視覺算法與應用--攝像機資料

1、機器視覺算法與應用 -攝像機制作人：康照川攝像機的簡介攝像機是機器視覺系統中的一個關鍵組件其功能就是將光信號轉變成為有序的電信號，并生成需要的圖像。攝像機又稱工業(yè)相機，相比于傳統的民用相機而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力。攝像機中最重要的部件就是數字傳感器。攝像機的分類按照芯片結構分類：CCD相機，CMOS相機。按照傳感器結構分類：面陣相機，線陣相機。按照傳輸模式分類：模擬相機，數字相機。按照成像情況分類：彩色相機，黑白相機。攝像機的結構工業(yè)相機 相機簡單示意圖CCD傳感器CCD傳感器-電子耦合組件（charged coupled device）,是由光線敏感的光電探測器組

2、成。曝光時，光電探測器累積電荷通過轉移門電路，電荷被轉移至串行讀出寄存器從而讀出。讀出的過程是將電荷轉移至電荷轉換單元，轉換單元將電荷轉換為電壓，并將電壓放大。 電壓放大后就可以轉換為模擬或者數字視頻信號。 CCD傳感器你可以將CCD傳感器想象成一顆顆微小的感應粒子，鋪滿在光學鏡頭的后方，當光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面時，CCD就會產生電流，將感應到的內容轉換成數碼資料存儲在相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡內。CCD像素的數目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。CCD傳感器的種類CCD傳感器分為線陣傳感器和面陣傳感器。面陣傳感器分為全幀轉移型面陣傳感器、幀轉移型面陣傳感器

3、和隔列轉移型面陣傳感器。線陣傳感器線陣傳感器只能生成高度為1行的圖像，在實際中有限。因此常通過多行組成二維圖像。為了得到有效的圖像，線陣傳感器必須相對于被測物體做相對運動。相機運動被測物不動相機不動被測物動線陣相機注意的問題傳感器本身必須與被測物平面平行并與運動方向垂直以保證得到矩形像素。線采集頻率必須與攝像機和被測物之間相對運動速度相匹配以得到方形像素。如果運動速度是變化的，就需要編碼器來觸發(fā)傳感器來采集每行圖像。相對運動可以由步進電機驅動來產生。線傳感器的讀出速度在14-140kHz之間，會限值每一行的曝光時間，所以需要很強的照明。全幀轉移型面陣傳感器在這里光在光電探測器中轉換為電荷，在未

4、曝光期間電荷按行的順序轉移到串行讀出電路寄存器，然后與線陣傳感器的方式一樣轉換為視頻信號。Output(Amplifier)Serial readout register全幀轉移型面陣傳感器優(yōu)點：填充因子(像素光敏感區(qū)域與整個靶面之比)可以達到非常高，甚至達到100%。這樣傳感器靈敏度非常大，圖像失真最小。缺點：由于傳輸和讀出使用的時鐘相同，由于上面的像素要經過下面的像素移出，因此傳感器上面的部分曝光時間比下面的長，這會造成拖影（Smear）現象。為了解決這個問題，必須使用機械快門或閃光燈。全幀轉移型面陣傳感器 有拖影的圖片 無拖影的圖片幀轉移型面陣傳感器這個是為了解決全幀轉移型傳感器的拖影問

5、題，全幀轉移型傳感器加上另外的傳感器用于存儲，這個傳感器上有金屬光屏蔽層。這種類型的傳感器，圖像產生于光敏傳感器，然后轉移至有光屏蔽層的存儲陣列，在空閑時讀出。Light sensitiveCCD-sensorShieldedmemory areaReadout register.幀轉移型面陣傳感器 優(yōu)點：其填充因子可達100%，圖像失真化最小，而且不需要機械快門或閃光燈。在曝光時間較長的情況下，拖影現象比全幀轉移型面陣傳感器小很多。 缺點：由于需要兩個傳感器，因此成本非常高 應用：鑒于高靈敏度和拖影等特征上面兩種傳感器通常用于像天文等曝光時間比讀出時間長的科學研究領域。隔列轉移型面陣傳感器如

6、果所示，這種傳感器還有一個帶有不透明的金屬屏蔽層的垂直轉移寄存器，圖像曝光后，累積到電荷通過傳輸門電路轉移到垂直傳輸寄存器，電荷通過垂直傳輸寄存器移至串行讀出寄存器，經過放大，最后形成視頻信號。隔列轉移型面陣傳感器 電荷轉移時間約為1us，因此完全不存在拖影（Smear）現象。優(yōu)點：由于轉移時間非常短，因此不需要使用機械快門或閃光燈缺點：由于屏蔽區(qū)占用了Sensor的部分面積，因此使得此種傳感器填充因子只能在20%70%，圖像失真會增加。隔列轉移型面陣傳感器為了增大填充因子，常利用在傳感器上加上微鏡頭來使光聚焦至光敏光電二極管。但是填充因子還是難以達到100%模擬CCD攝像機的讀出模式隔行掃描

7、逐行掃描CMOS傳感器CMOS傳感器與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序的轉移至讀出寄存器，CMOS的每一行都可以通過行列選擇電路直接選擇并讀出。這方面CMOS傳感器可以當作隨機存取存儲器。CMOS每個像素都有一個自己的獨立放大器。因此也稱作主動像素傳感器。CMOS傳感器優(yōu)點：具有單獨的選擇轉換電路，讀出速度快。CMOS傳感器的隨機讀取特性使其很容易實現圖像矩形感興趣區(qū)域的讀出?？梢詫崿F并行模數轉換，具有較高的幀率。缺點： 因為放大器以及行列選擇電路占每個像素的大部分面積，導致其填充因子很低。 CMOS傳感器讀出方式行曝光全局曝光 上述兩個圖片都是對于運動的物體。行曝光使物體發(fā)生形變

8、，全局曝光適用于拍攝運動的物體CCD vs CMOS彩色攝像機黑白相機直接將光強信號轉換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機能獲得景物中紅、藍、綠三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機能夠提供比黑白相機更多的圖像信息。目前彩色相機的實現方法主要有兩種，棱鏡分光法和 Bayer 濾波法。光譜響應曲線由圖光譜響應曲線可以看出，CCD和CMOS傳感器對于近紫外200nm到可見光380-780nm直到近紅外1100nm波長范圍都有響應。所以無法產生彩色圖像。為了產生彩色圖像需要在傳感器前面加上彩色濾鏡陣列（CFA），使一定范圍的光達到每個光電探測器。棱鏡分光法棱鏡分光彩色相機，利用光學透鏡將入射

9、光學的 R、 G、 B 分量分離，在三片傳感器上分別將三種顏色的光信號轉換成電信號，最后對輸出的數字信號進行合成，得到彩色圖像。Bayer濾波法Bayer 濾波彩色相機，是在傳感器像元表面按照 Bayer 馬賽克規(guī)律增加 RGB 三色濾光片，輸出信號時，像素 RGB 分量值是由其對應像元和其附近仙緣共同獲得的。由于人眼對綠色最為敏感，所以濾鏡陣列中綠色采樣頻率是其他的兩倍。Bayer濾波法相機的主要參數1 1.分辨率 分辨率是相機最基本的參數，由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數量。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如：1920（ H） x 1080(V)，前

10、面的數字表示每行的像元數量，即共有 1920 個像元，后面的數字表示像元的行數，即 1080 行?，F在相機的分辨率通常表示多少 K，如1K（ 1024）， 2K(2048), 3K(4096)等。在采集圖像時，相機的分辨率對圖像質量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節(jié)的展示越明顯。相機的主要參數2.速度（幀頻/行頻） 相機的幀頻/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常面陣相機用幀頻表示，單位 fps（ Frame Per second），如30fps,表示相機再 1 秒鐘內最多能采集 30 幀圖像；線陣相機通常用行頻便是單位 KHz,如 12KHz 表示相機 1 秒鐘

11、內最多能采集 12000 行圖像數據。速度是相機的重要參數，在實際應用中很多時候需要對運動物體成像。相機的速度需要滿足一定要求，才能清晰準確的對物體成像。相機的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設計最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時鐘決定。相機的主要參數3.噪聲 相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標外的信號。根據歐洲相機測試標準EMVA1288 中，定義的相機中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號帶的符合泊松分布的統計漲落噪聲，也叫散粒噪（ shotnoise） ,這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免，尤其確定的計算公式。（就是：噪聲的平方=信號的均

12、值）。第二類是相機自身固有的與信號無關的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。另外，對數字相機來說，對視頻信號進行模擬轉換時會產生量化噪聲，量化位數越高，噪聲越低。相機的主要參數4.信噪比 相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質量，圖像信噪比越高，圖像質量越好。CCD 工業(yè)相機的信噪比的典型值一般為 45-55dB 。相機的主要參數5.動態(tài)范圍 相機的動態(tài)范圍表明相機探測光信號的范圍，動態(tài)范圍可用兩種方法來界定，一種是光學動態(tài)范圍，指飽和時最大光強與等價于噪聲輸出的光強的比值，由

13、芯片的特性決定。另一種是電子動態(tài)范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。對于固定相機其動態(tài)范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應去，相機的動態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動態(tài)范圍大，則相機對不同的光照強度有更強的適應能力。等效噪聲信號光敏元的滿敏元的 動態(tài)范圍相機的主要參數6.像元深度 數字相機輸出的數字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數，稱為像元深度。對于黑白相機這個值的方位通常是 8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數。例如，對于 8bit 的相機 0 代表全暗而 255代表全亮。 介于 0 和 25 之間的數字代表一定的亮度指標。 10bit

14、數據就有 1024 個灰階而 12bit 有 4096 個灰階。每一個應用我們都要仔細考慮是否需要非常細膩的灰度等級。從 8bit 上升到 10bit 或者 12bit 的確可以增強測量的精度，但是也同時降低了系統的速度，并且提高了系統集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。相機的主要參數7.光譜響應 光譜響應是指相機對于不同波長光線的響應能力，通常指其所采用芯片的光譜響應。通常用光譜曲線表示， 橫軸表示不同波長， 縱軸表示量子效率。 按照響應光譜不同也把相機分為可見光相機 (400nm1000nm，峰值在500nm600nm 之間)，紅外相機（響應波長在 700nm 以上），紫外相機（可以響應到 200nm400nm的短波），我們需要根據接收被測物發(fā)光波長的不同來選擇不同的光譜響應的相機。相機的主要參數8.光學接口 光學接口是指相機與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有 C 口， CS 口， F 口。下表提供了關于鏡頭安裝及后焦距的信息。其中 M42 鏡頭適配器源于高端攝像標準。另一方面，相機的 Z 軸均依據所提供的適配器而進行了優(yōu)化，一般情況下不要輕易拆卸鏡頭適配器。 在選擇鏡