機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用課件 第4章 工業(yè)相機(jī)的認(rèn)知與選擇

機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用

（Machinevision）機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用緒論

第1章機(jī)器視覺系統(tǒng)認(rèn)知

第2章光源系統(tǒng)認(rèn)知與選擇第5章VisionPro軟件安裝及基本操作第6章VisionPro工具的運(yùn)用第7章快速生成向?qū)У?章機(jī)器視覺技術(shù)典型應(yīng)用第3章工業(yè)鏡頭認(rèn)知與選擇目錄第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容：

（1）工業(yè)相機(jī)成像原理

（2）工業(yè)相機(jī)圖像傳感器

（3）CMOS與CCD區(qū)別

（4）機(jī)器視覺的發(fā)展趨勢(shì)線陣相機(jī)及面陣相機(jī)

（5）工業(yè)相機(jī)相關(guān)的基本參數(shù)

（6）相機(jī)的選型4.1工業(yè)相機(jī)成像原理第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇1.孔成像原理

用一個(gè)帶有小孔的板遮擋在屏幕與物之間，屏幕上就會(huì)形成物的倒像，這樣的現(xiàn)象稱小孔成像。前后移動(dòng)中間的板，像的大小也會(huì)隨之發(fā)生變化。這種現(xiàn)象反映了光是沿直線傳播的。2.照相機(jī)的工作原理照相機(jī)的成像原理即來源于小孔成像，鏡頭是智能化的小孔，通過復(fù)雜的鏡頭組件實(shí)現(xiàn)不同的成像距離(即俗稱的各個(gè)焦段)。

第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇4.2工業(yè)相機(jī)圖像傳感器1.CCD

通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)，一塊CCO上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。

CCD作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇CCD圖像傳感器具有如下特點(diǎn)：(1)體積小重量輕。(2)功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)。(3)靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大。(4)響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像。(5)應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇2.CMOSCMOS指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇

CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再造過芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。CMOS圖像傳感器具有如下特點(diǎn)

：

(1)成像過程中產(chǎn)生的噪聲高(2)集成性高(3)讀出速度快，地址選通開關(guān)可隨機(jī)采樣，獲得更高的速度

第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇4.3CMOS與CCD區(qū)別1.信息讀取方式

CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。2.速度

CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇3.電源及耗電量

CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。4.成像質(zhì)量CCD成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇5.內(nèi)部結(jié)構(gòu)(傳感器本身的結(jié)構(gòu))CCD的成像點(diǎn)為X-Y縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。光電二極管將光線(光量子)轉(zhuǎn)換為電荷(電子)，聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時(shí)，各行數(shù)據(jù)被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇

CMOS傳感器周圍的電子器件，如數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個(gè)存儲(chǔ)器，每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)重新設(shè)置和選擇晶體管，以及一個(gè)放大器，覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器(計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào))以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，它可以通過簡(jiǎn)單的X-Y尋址技術(shù)讀取信號(hào)。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇4.4線陣相機(jī)及面陣相機(jī) 1.原理對(duì)比

線陣相機(jī)也稱為線掃描相機(jī)，線陣相機(jī)的傳感器僅是由一行或者多行感光芯片構(gòu)成的，拍照時(shí)需要通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)，行成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，才能得到想要的圖像。面陣相機(jī)面陣相機(jī)的芯片是面陣的，所以它會(huì)一次成像成一張方形的圖片，而線陣相機(jī)的芯片傳感器是由一行或者多行傳感器構(gòu)成的，它需要在移動(dòng)的過程中才能形成一張拼接的想要的圖像。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇

2.類型區(qū)分面陣相機(jī)：實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。相機(jī)拍攝圖像中，表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)不是由像素多少?zèng)Q定的，是由分辨率決定的。分辨率是由選擇的鏡頭焦距決定的，同一種相機(jī)，選用不同焦距的鏡頭，分辨率就不同。?像素的多少不決定圖像的分辨率（清晰度），大像素相機(jī)的好處就是減少拍攝次數(shù)，提高測(cè)試速度。線陣相機(jī)：顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但長(zhǎng)度很長(zhǎng)，如1024×1分辨率的線陣相機(jī)(1K的線陣相機(jī)),8192×1分辨率的線陣相機(jī)(8K線陣)，而寬度卻只有幾個(gè)象素的而已。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇一般只在兩種情況下使用線陣相機(jī)：（1）被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，多用于滾筒上檢測(cè)的問題。（2）需要極大的視野或極高的精度，就需要用激發(fā)裝置多次激發(fā)相機(jī)，進(jìn)行多次拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖象，合并成一張巨大的圖。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇3.應(yīng)用對(duì)比面陣相機(jī)：應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。線陣相機(jī)：主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖象處理。典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測(cè)的物體通常勻速運(yùn)動(dòng),利用一臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描?,以達(dá)到對(duì)其整個(gè)表面均勻檢測(cè)。可以對(duì)其圖象一行一行進(jìn)行處理，或者對(duì)由多行組成的面陣圖象進(jìn)行處理。另外線陣相機(jī)傳感器的高分辨率，可以準(zhǔn)確測(cè)量到微米，所以非常適合測(cè)量場(chǎng)合。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇4.優(yōu)點(diǎn)對(duì)比面陣相機(jī)：可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。線陣相機(jī)：一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元素較面陣相機(jī)少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量。而且線陣分辨率高，價(jià)格低廉，可滿足大多數(shù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)要求。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇5.缺點(diǎn)對(duì)比面陣相機(jī)：像元總數(shù)多，因此其應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的需求。線陣相機(jī)：圖像獲取時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量效率低；由于掃描運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本；圖像精度可能受掃描運(yùn)動(dòng)精度的影響而降低，最終影響測(cè)量精度。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇4.5工業(yè)相機(jī)相關(guān)的基本參數(shù)1.視野（FOV）：

視野通常叫場(chǎng)景，場(chǎng)景就是相機(jī)所能看到的現(xiàn)實(shí)世界的物理部分。2.CCD或CMOS芯片：芯片是相機(jī)的核心部分。CMOS和CCD一樣，是圖像傳感器，區(qū)別在于：（1）信號(hào)的讀出過程不同，CCD是通過一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出像素，COMS通過單個(gè)像素同時(shí)讀取，因此CCD的一致性更好。（2）集成性CCD更復(fù)雜。（3）COMS讀取速度更快。（4）CCD技術(shù)更成熟，噪聲少，成像質(zhì)量更好。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇3.像素：

感光元件上的基本感光單元，即相機(jī)識(shí)別的圖像上的最小單元。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇

4.分辨率：攝像頭每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)(Pixels)，通常情況下以長(zhǎng)乘寬表示。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇5.像元尺寸像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了攝像頭靶面的大小。目前像元尺寸一股為3um-10um，一般像元尺寸越小，制造難度越大。6.灰度值：像素在圖片上所代表的兩個(gè)信息，第一個(gè)是位置就是坐標(biāo)，在第幾行第幾列，根據(jù)圖片可以判斷出來。第二個(gè)是所處的一個(gè)亮度，就是我們黑白灰的這個(gè)灰間的一個(gè)亮度。7.幀率

相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec）,對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Hz）。第4章工業(yè)相機(jī)認(rèn)知與選擇8.曝光方式（1）全局曝光：光圈打開后整個(gè)芯片像元同時(shí)曝光（理論上最小的曝光時(shí)間）。（2）卷簾曝光：光圈打開后芯片像元按原順序逐行曝光（