目錄

1、圖像基礎(chǔ)知識(shí)

1.1、圖像類型

1.2、圖像分別率、系統(tǒng)分辨率和像素分辨率

1.3、視場

2、影響成像質(zhì)量的因素

3、成像系統(tǒng)模型

4、鏡頭系統(tǒng)簡化模型

5、鏡頭與相機(jī)的選型

5.1、鏡頭的選型

5.1.1、鏡頭分辨率

5.1.2、鏡頭成像要素

5.1.3、普通鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭

5.2、相機(jī)的選型

5.2.1、CCD/CMOS

5.2.2、模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)

6、總結(jié)

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數(shù)字圖像是機(jī)器視覺系統(tǒng)工作的前提和基礎(chǔ)，工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)把成像子系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換為反映現(xiàn)實(shí)場景的二維數(shù)字圖像，并對其進(jìn)行分析、處理，得出各種指令來控制機(jī)器的動(dòng)作。

1、圖像基礎(chǔ)知識(shí)

圖像是指所有具有視覺效果的畫面，它是對客觀對象的一種相似的、生動(dòng)的描述。

根據(jù)色彩不同，圖像可以分為彩色圖像和黑白（灰度）圖像。通過對人眼結(jié)構(gòu)及特性的研究發(fā)現(xiàn)，人眼對紅(R）、綠(G)、藍(lán)(B）3種顏色特別敏感，不同強(qiáng)度的RGB混合后刺激視網(wǎng)膜上的錐狀體，使人眼可以感知自然界中的幾乎所有色彩。反過來，自然界中的色彩可以分解為不同強(qiáng)度RGB基本色的組合，這種表示色彩的方式稱為RGB顏色模型或RGB色彩空間，如下圖所示：

相應(yīng)地，也可以將彩色圖像的研究分解為對RGB分量所對應(yīng)的灰度圖像的研究。

1.1、圖像類型

圖像根據(jù)記錄方式的不同可分為模擬圖像和數(shù)字圖像兩大類。

如果將灰度圖像看作二維空間上的光強(qiáng)度函數(shù)f (x，y)，則模擬灰度圖像就是對該空間上光強(qiáng)度幅值f變化的連續(xù)記錄。當(dāng)(x，y)和f為離散、有限的數(shù)值時(shí)，光強(qiáng)度幅值f的變化將以類似矩陣的形式被記錄，此時(shí)所記錄的圖像就稱為數(shù)字圖像，而所記錄的值對應(yīng)在圖像中的每個(gè)點(diǎn)稱為像素(pixel)，橫向及縱向像素的個(gè)數(shù)稱為圖像的分辨率(image resolution)，如果是彩色數(shù)字圖像，則在計(jì)算機(jī)中需要記錄每個(gè)像素對應(yīng)的RGB分量，如下圖所示：

工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)中提及的圖像通常就指數(shù)字圖像。

1.2、圖像分別率、系統(tǒng)分辨率和像素分辨率

圖像分辨率、系統(tǒng)分辨率和像素分辨率是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)較常見的參數(shù)，它們通常與客戶對機(jī)器視覺系統(tǒng)的需求關(guān)系最為密切，是選擇相機(jī)和鏡頭的重要依據(jù)。

• 圖像分辨率指圖像中存儲(chǔ)的信息量，是每英寸圖像內(nèi)有多少個(gè)像素點(diǎn)，分辨率的單位為PPI（Pixels Per Inch），通常叫做像素每英寸。圖像分辨率一般被用于PS中，用來改變圖像的清晰度。
• 系統(tǒng)分辨率指成像系統(tǒng)可以識(shí)別出監(jiān)測目標(biāo)的最小細(xì)節(jié)或最小特征。諸如“要求系統(tǒng)能檢測0.1mm的目標(biāo)"、"要求系統(tǒng)測量精度達(dá)到0.01mm"之類的要求一般都和系統(tǒng)分辨率相關(guān)。
• 像素分辨率指為了表示檢測目標(biāo)所需要的像素?cái)?shù)。一般情況下，可以根據(jù)客戶對檢測目標(biāo)中最小特征的要求來確定最小像素分辨率。如果將整個(gè)圖像看作周期為最小特征大小的周期信號，則根據(jù)奈奎斯特采樣定律，必須對信號每個(gè)周期采樣2個(gè)點(diǎn)以上，才能完整恢復(fù)該信號。因此如果客戶沒有特別要求，常用至少兩個(gè)像素來代表檢測目標(biāo)中的最小特征，這可被看作是圖像傳感器的奈奎斯特定律。

圖像傳感器應(yīng)具備的最小像素分辨率常通過下面的公式計(jì)算：

• Rmin為最小像素分辨率。
• Lmax為檢測目標(biāo)的最大長度。
• lmin為檢測目標(biāo)的最小特征長度（視覺系統(tǒng)的分辨率)。
• pmin為表示最小特征的像素?cái)?shù)。

在無特別要求時(shí)，pmin=2，如果客戶要求使用多于2像素來表示最小特征，則最小分辨率將適當(dāng)增加。

1.3、視場

視場（Field of View，FOV）指成像系統(tǒng)中圖像傳感器可以監(jiān)測到的最大區(qū)域。在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到一般都會(huì)使被檢測目標(biāo)盡量填滿整視場，因此常用視場大小代替目標(biāo)的最大長度Lmax來計(jì)算視覺系統(tǒng)的像素分辨率。如下圖（a）所示，表示被檢測目標(biāo)在水平方向上占據(jù)整個(gè)視場，而圖（b）表示目標(biāo)未填滿視場。

如果橫縱方向上視場大小為[FOVh，FOVv]，檢測目標(biāo)的最小特征的大小為[Ih，lv]，則圖像傳感器應(yīng)具有的最小像素分辨率為：

成像系統(tǒng)視場的大小可以通過研究其成像規(guī)律得知。目前，機(jī)器視覺系統(tǒng)常用使用配備各種鏡頭系統(tǒng)的工業(yè)CCD/CMOS相機(jī)作為成像系統(tǒng)，透鏡成像示意圖如下所示：

鏡頭系統(tǒng)一般使用透鏡系統(tǒng)，其成像遵循高斯成像公式：

• f為透鏡焦距(focal length，凸正凹負(fù))。
• u為物距。
• v為像距（實(shí)正虛負(fù))。如下圖所示。通常將像距與物距的比值定義為透鏡的放大率M：

2、影響成像質(zhì)量的因素

數(shù)字圖像是對成像系統(tǒng)輸出的信號進(jìn)行數(shù)字化后的結(jié)果，成像系統(tǒng)反映真實(shí)場景的性能和質(zhì)量直接決定整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能。

影響機(jī)器視覺成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素主要包括：光源（Illumination）、系統(tǒng)分辨率（System Resolution）、像素分辨率（Pixel Resolution）、對比度（Contrast）、景深（Depth of Field，DOF）、投影誤差（Perspective Error）和鏡頭畸變（Lens Distortion）。

而這些因素（參數(shù)）卻直接或間接地由硬件選型和安裝方式?jīng)Q定。

3、成像系統(tǒng)模型

工業(yè)或研究領(lǐng)域的成像系統(tǒng)多種多樣，常見的有工業(yè)CCD/CMOS相機(jī)、工業(yè)顯微鏡、生物顯微鏡、X射線成像儀、紅外成像儀、熱成像儀等。無論這些成像系統(tǒng)的原理有多復(fù)雜，都可被抽象為下圖所示的簡化模型。

千差萬別的成像系統(tǒng)對現(xiàn)實(shí)世界中的可見光、紅外、X射線、熱量等實(shí)施某種轉(zhuǎn)換T (x，y)，將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)圖像采集設(shè)備采樣、量化后生成數(shù)字圖像。

4、鏡頭系統(tǒng)簡化模型

由于對機(jī)器視覺成像系統(tǒng)來說，相機(jī)鏡頭到所檢測目標(biāo)的距離（稱為工作距離，相當(dāng)于物距）相對于相機(jī)焦距可近似認(rèn)為是無窮遠(yuǎn)。若將其帶入高斯成像公式，可得出此時(shí)相機(jī)像距近似等于其焦距，也就是說相機(jī)成像在焦平面上。據(jù)此，可以將鏡頭系統(tǒng)抽象為類似小孔成像的簡化模型，如下圖所示：

根據(jù)該簡化模型，可以得出機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像傳感器尺寸S（傳感器平面某個(gè)方向上的長度)、視場FOV、工作距離WD及鏡頭焦距f之間的約束關(guān)系：

此時(shí)，透鏡的放大率M則可以等效為：

如果進(jìn)一步將前述最小像素分辨率的計(jì)算公式與該約束關(guān)系結(jié)合（用視場FOV代替目標(biāo)的最大長度Lmax)，則可以得出以下成像系統(tǒng)簡化模型的參數(shù)約束關(guān)系：

該公式所顯示的參數(shù)間的相互約束關(guān)系是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建部署時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的基礎(chǔ)。

實(shí)際中傳感器尺寸S可以通過查詢相機(jī)的技術(shù)規(guī)范獲知，焦距f、工作距離WD直接由所選擇的鏡頭決定。在已知這些參數(shù)時(shí)，可以很容易地計(jì)算出視場FOV。相機(jī)的像素分辨率由其有效像素區(qū)域（即傳感器尺寸）決定，通常用橫向和縱向有效像素?cái)?shù)來表示（如768×576）。為機(jī)器視覺系統(tǒng)所選擇的相機(jī)像素分辨率，必須大于或等于按照項(xiàng)目需求（包括對最小特征尺寸lmin和用于表示最小特征的像素?cái)?shù)pmin的要求）計(jì)算出的最小像素分辨率Rmin。下圖進(jìn)一步顯示了公式中涉及的參數(shù)含義：

5、鏡頭與相機(jī)的選型

工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭與相機(jī)的選型非常重要。如果事先既未確定相機(jī)又未確定鏡頭，則需要先了解項(xiàng)目工作環(huán)境對相機(jī)安裝（工作距離）、要檢測的最大范圍(視場)、最小特征的尺寸和代表它的像素?cái)?shù)的要求，然后根據(jù)這些條件來計(jì)算應(yīng)使用何種鏡頭或相機(jī)。下圖為機(jī)器視覺項(xiàng)目選擇鏡頭和相機(jī)的簡化流程：

?

無論何種情況，都是基于成像系統(tǒng)簡化模型的參數(shù)約束關(guān)系和項(xiàng)目需求獲取最優(yōu)搭配的過程。

5.1、鏡頭的選型

如果將機(jī)器視覺系統(tǒng)與人類視覺系統(tǒng)進(jìn)行類比，那么相機(jī)的傳感器芯片就如同人的視網(wǎng)膜，而鏡頭則相當(dāng)于眼睛內(nèi)的晶狀體。各種現(xiàn)實(shí)世界中的圖像都通過這個(gè)“晶狀體"對光線進(jìn)行變換（匯聚）后，投射在"視網(wǎng)膜”上。

機(jī)器視覺成像系統(tǒng)使用的鏡頭通常由凸透鏡和凹透鏡結(jié)合設(shè)計(jì)而成。

• 單個(gè)凸透鏡或凹透鏡是進(jìn)行光束變換的基本單元。凸透鏡可對光線進(jìn)行匯聚，也稱為會(huì)聚透鏡或正透鏡。
• 凹透鏡對光線具有發(fā)散作用，也稱為發(fā)散透鏡或負(fù)透鏡。

兩種透鏡成像均遵循高斯成像公式，通過把它們結(jié)合使用，在校正各種像差和失真后，設(shè)計(jì)出具有不同結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)的復(fù)合鏡頭系統(tǒng)。與鏡頭相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有鏡頭分辨率、焦距、最小工作距離、最大像面、視場/視場角、景深、光圈和相對孔徑及其安裝接口類型等。

5.1.1、鏡頭分辨率

鏡頭的空間分辨率、相機(jī)像素分辨率和相機(jī)的空間分辨率、系統(tǒng)空間分辨率和系統(tǒng)分辨率是幾個(gè)極容易混淆的概念。

• 鏡頭空間分辨率表示它的空間極限分辨能力，常用拍攝正弦光柵的方法來測試。如果從信號處理的角度來看，任何非周期圖像信號都可以被看作周期圖像（或子圖像）的疊加，而任何周期圖像又都可以被分解為亮度按正弦變化的圖形的疊加。因此，通過研究鏡頭對亮度按正弦變化圖形的反應(yīng)，就可以研究鏡頭的性能和分辨率。正弦光柵就是亮度按照正弦變化的圖像，如下圖所示：

?

其中棚格黑白相間，可把黑色看作正弦波谷，把白色看作正弦波峰。正弦光柵中一對相鄰黑線和白線稱為一個(gè)線對(line pair，lp)，它所占據(jù)的長度被定義為正弦光柵的空間周期，單位是毫米。正弦光柵空間周期的倒數(shù)就是空間頻率(spatial frequency)，它表示每毫米內(nèi)的線對數(shù)，單位是線對/毫米(Ip/mm)。通過拍攝正弦光柵，研究鏡頭每毫米內(nèi)能分辨的線對數(shù)，就可以獲知鏡頭的分辨率。鏡頭分辨率越高，則說明其每毫米內(nèi)能分辨的線對數(shù)越多。對于機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，只需要查詢鏡頭參數(shù)表即可獲知其分辨率。

• 相機(jī)像素分辨率是指相機(jī)傳感器上縱橫方向上的像素?cái)?shù)。

• 相機(jī)的空間分辨率卻表示它的空間極限分辨能力。根據(jù)前述相機(jī)奈奎斯特定律，相機(jī)要能恢復(fù)空間圖像，必須至少使用2個(gè)像素來表示圖像的最小單元。如果用研究鏡頭的空間分辨率類似的方法來研究相機(jī)空間分辨率，則正弦光柵中的每對線需要至少2個(gè)像素來表示。由此，可以通過像素的物理大小來計(jì)算相機(jī)的空間分辨率。例如，某相機(jī)的像素物理大小為8.4um×9.8um，則相機(jī)在橫縱方向上的空間分辨率為：

?

• ?對于鏡頭和相機(jī)構(gòu)成的成像系統(tǒng)來說，整個(gè)系統(tǒng)的空間分辨率取鏡頭和相機(jī)空間分辨率的最小值。

5.1.2、鏡頭成像要素

影響鏡頭成像的因素包括：焦距、最大像面、視場/視場角、漸暈、景深等方面。

• 焦距是指無限遠(yuǎn)處目標(biāo)在鏡頭的像方所成像位置到像方主面的距離。焦距體現(xiàn)了鏡頭的基本特性：即在不同物距上，目標(biāo)的成像位置和成像大小由焦距決定。市面上常見的鏡頭焦距大小包括6mm、8mm、12.5mm、25mm以及50mm等。對機(jī)器視覺成像系統(tǒng)來說，工作距離就是成像系統(tǒng)中所說的物距。由于視覺成像系統(tǒng)模型的假定條件是工作距離相對于鏡頭焦距為無限遠(yuǎn)，因此一般在鏡頭的產(chǎn)品參數(shù)中都會(huì)說明其最小工作距離。當(dāng)相機(jī)在小于該最小工作距離的環(huán)境下工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)圖像失真，影響機(jī)器視覺系統(tǒng)的可靠性。
• 最大像面是指鏡頭能支持的最大清晰成像范圍（常用可觀測范圍的直徑表示)，超出這個(gè)范圍所成的像對比度會(huì)降低而且會(huì)變得模糊不清。最大像面是由鏡頭本身的特性決定的，它的大小也限定了鏡頭可支持的視場的大小。
• 鏡頭的視場就是鏡頭最大像面所對應(yīng)的觀測區(qū)域。視場角是視場的另一種表述方法，類似人眼“視角"的意義。視場角等于最大像面對應(yīng)的目標(biāo)張角。通常，在遠(yuǎn)距離成像系統(tǒng)中，例如望遠(yuǎn)鏡、航拍鏡頭等場合，鏡頭的成像范圍均用視場角來衡量。而近距離成像中，常用實(shí)際物面的直徑（即幅面）來表示。

由于機(jī)器視覺成像系統(tǒng)中的傳感器多制作成長方形或正方形，因此鏡頭的最大像面常用它可以支持的最大傳感器尺寸(單位為英寸，1英寸約為2.54cm）來表示。相應(yīng)地，鏡頭的視場也可以用最大像面所對應(yīng)的橫向和縱向觀測距離或視場角來表示，如下圖所示：

?

?對于同一相機(jī)來說，有公式如下：

?

• S為相機(jī)傳感器在二維平面某個(gè)維度上的大小。
• f為焦距。
• 2w為視場角。

由于相機(jī)傳感器尺寸固定，因此視場角也可以被看作焦距的另一種表達(dá)。因此在生活中，人們常按照鏡頭的視場角對其進(jìn)行分類，如望遠(yuǎn)鏡（6~12°)、遠(yuǎn)距攝像鏡頭（120~46°) .標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（46~65°)、廣角鏡頭（650~100°）及超廣角鏡頭( >100°）等。

一般來說，鏡頭的失真會(huì)隨著焦距的減小(或視場角的增大）而增大，因而在構(gòu)建機(jī)器視覺系統(tǒng)（特別是精確測量系統(tǒng))時(shí)，一般都不會(huì)選擇焦距小于8mm或視場角很大的鏡頭。

鑒于鏡頭能清楚成像的范圍受到最大像面的限制，因此在為相機(jī)選配鏡頭時(shí)，要特別注意相機(jī)傳感器與鏡頭可支持最大傳感器之間的關(guān)系。

一般來說，必須確保所選鏡頭可支持的最大傳感器尺寸大于或等于相機(jī)的傳感器尺寸。這樣做的另一個(gè)主要原因是為了避免漸暈(Vignetting）現(xiàn)象的發(fā)生。

如圖下圖(c)所示，如果相機(jī)傳感器的尺寸大于鏡頭可支持的最大傳感器尺寸時(shí)，所生成的圖像就會(huì)形成類似隧道的效果，該現(xiàn)象稱為漸暈現(xiàn)象。漸暈現(xiàn)象會(huì)增加機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)難度，因此應(yīng)盡量避免。下圖中的(a) 、(b）分別顯示了在鏡頭可支持的最大傳感器尺寸等于或大于相機(jī)的傳感器尺寸時(shí)視覺系統(tǒng)的成像情況，這兩種情況下機(jī)器視覺系統(tǒng)均能正常工作。

?

?景深也是一個(gè)與鏡頭和成像系統(tǒng)關(guān)系十分密切的參數(shù)，它是指在鏡頭前沿著光軸所測定的能夠清晰成像的范圍，如下圖所示：

?

在成像系統(tǒng)的焦點(diǎn)前后，物點(diǎn)光線呈錐狀開始聚集和擴(kuò)散，點(diǎn)的影像沿光軸在焦點(diǎn)前后逐漸變得模糊，形成一個(gè)擴(kuò)大的圓，這個(gè)圓稱為彌散圓(circle of confusion)。若這個(gè)圓形影像的直徑足夠小（離焦點(diǎn)較近)，成像會(huì)足夠清晰，如果圓形再大些（遠(yuǎn)離焦點(diǎn))，成像就會(huì)顯得模糊。當(dāng)在某個(gè)臨界位置所成的像不能被辨認(rèn)時(shí)，則該圓就被稱為容許彌散圓(permissible circle of confusion)。焦點(diǎn)前后兩個(gè)容許彌散圓之間的距離稱為焦深。在目標(biāo)物一側(cè)，焦深對應(yīng)的范圍就是景深。

?

• 為容許彌散圓的直徑。
• f為鏡頭焦距。
• D為對焦距離。
• F為鏡頭的拍攝光圈(aperture)值。光圈值F常用鏡頭焦距和鏡頭入瞳的有效直徑Din的比值來表示，它是鏡頭相對孔徑Dr的倒數(shù)，即：

?從景深公式可以看出，后景深要大于前景深，而且景深一般隨著鏡頭的焦距、光圈值、對焦距離（可近似于拍攝距離)的變化而變化。在其他條件不變時(shí)：

1. ?光圈越大（光圈值F越小)，景深越小；光圈越小(光圈值F越大），景深越大。
2. 鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。
3. 距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。?

在檢測目標(biāo)的高度在一定范圍內(nèi)可能變化的情況下，選擇合適的景深，對于機(jī)器視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。

5.1.3、普通鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭

普通鏡頭與人眼一樣，觀測物體時(shí)都存在"近大遠(yuǎn)小”的現(xiàn)象，如下圖?(a)所示。也就是說，雖然物體在景深范圍內(nèi)可以清晰成像，但是其成像卻隨著物距增大而縮小。如果被測目標(biāo)不在同一物面上(如有厚度的物體），則會(huì)導(dǎo)致圖像中的物體變形。另一方面，相機(jī)傳感器的感光面通常并不容易被精確調(diào)整到與鏡頭的像平面重合(調(diào)焦不準(zhǔn))，由此也會(huì)產(chǎn)生誤差。為此，人們設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)心鏡頭。

遠(yuǎn)心鏡頭(telecentric lens）有較大的景深，且可以保證景深范圍內(nèi)任何物距都有一致的圖像放大率，如下圖 (b）所示。多數(shù)機(jī)器視覺在測量、缺陷檢測或者定位等應(yīng)用上，對物體成像的放大倍率沒有嚴(yán)格要求，一般只要選用畸變較小的鏡頭，就可以滿足要求。但是，當(dāng)機(jī)器視覺系統(tǒng)需要檢測三維目標(biāo)（或檢測目標(biāo)不完全在同一物面上）時(shí)，就需要使用遠(yuǎn)心鏡頭。

例如，要檢測厚度大于視場直徑的1/10的物體，或需要檢測帶孔徑、三維的物體等。一般來說，如果被測目標(biāo)物面變化范圍大于視場直徑的1/10時(shí)，就需要考慮使用遠(yuǎn)心鏡頭。它可以確保測試過程中物距在一定范圍內(nèi)改變時(shí)，系統(tǒng)放大倍數(shù)保持不變，從而保證系統(tǒng)的測量精度。

5.2、相機(jī)的選型

5.2.1、CCD/CMOS

早期的相機(jī)多基于顯像管成像。隨著集成電子技術(shù)和固體成像器件的發(fā)展，以電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD）為傳感器的相機(jī)，因其與真空管相比具有無灼傷、無滯后、工作電壓及功耗低等優(yōu)點(diǎn)而大行其道。CCD于1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Willard S.Boyle和George E.Smith發(fā)明，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾纱鎯?chǔ)起來，并隨后可在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下將存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到與之耦合的區(qū)域。人們正是利用它的這一特點(diǎn)發(fā)明了各種各樣的CCD成像設(shè)備。

CCD實(shí)際上可以被看作由多個(gè)MOS (Metal Oxide Semiconductor）電容組成。在P型單晶硅的襯底上通過氧化形成一層厚度約為100~150nm的SiOz絕緣層，再在SiO，表面按一定層次蒸鍍一層金屬或多晶硅層作為電極，最后在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓(柵極電壓)，即可形成一個(gè)MOS電容器，如下圖所示：

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初。20世紀(jì)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圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD圖像傳感器相同，二者的主要差異在于電荷的轉(zhuǎn)移方式上。CCD圖像傳感器中的電荷會(huì)被逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，經(jīng)放大器放大后輸出。由于電荷是從寄存器中逐位連續(xù)輸出的，因此放大后輸出的信號為模擬信號。在CMOS傳感器中，每個(gè)光敏元的電荷都會(huì)立即被與之鄰接的一個(gè)放大器放大，再以類似內(nèi)存尋址的方式輸出，如下圖所示：

因此CMOS芯片輸出的是離散的數(shù)字信號，之所以采用兩種不同的電荷傳遞方式，是因?yàn)镃CD是在半導(dǎo)體單晶硅材料上集成的，而CMOS則是在金屬氧化物半導(dǎo)體材料上集成的，工藝上的不同使得CCD能保證電荷在轉(zhuǎn)移時(shí)不會(huì)失真，而CMOS則會(huì)使電荷在傳送距離較長時(shí)產(chǎn)生噪聲，因此使用CMOS時(shí)，必須先對信號放大再整合輸出。

CCD和CMOS圖像傳感器比較，如下表所示：

5.2.2、模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)

CCD/CMOS芯片完成光電轉(zhuǎn)換后，其輸出為模擬或數(shù)字電信號。通常該信號還要被進(jìn)一步放大、矯正，添加同步、調(diào)制或采樣編碼，生成符合各種標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號后才正式輸出。理論上講，相機(jī)的輸出信號可以是任意自定義的形式。但是，由于電視系統(tǒng)先于機(jī)器視覺發(fā)展多年，若以電視系統(tǒng)中已廣泛使用的視頻方式輸出信號，不僅更便于信號的傳輸，還能最大限度地利用各種現(xiàn)有的成熟軟硬件技術(shù)，因此除了少數(shù)相機(jī)輸出非標(biāo)準(zhǔn)信號外，大多數(shù)相機(jī)的輸出都是模擬或數(shù)字視頻信號。機(jī)器視覺相機(jī)也因此根據(jù)其輸出信號的形式分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)兩大類。?

模擬相機(jī)的輸出信號通常被加工為可以支持隔行掃描（interlacing scan）顯示的視頻信號，以便其能與傳統(tǒng)電視或視頻監(jiān)控等系統(tǒng)兼容，而多數(shù)數(shù)碼相機(jī)的輸出則直接按照支持逐行掃描（progressive scan）的方式進(jìn)行編碼。我們知道，支持逐行掃描的視頻信號將每一幀圖像按順序逐行連續(xù)編碼，傳送到顯示設(shè)備后，也會(huì)被逐行以掃描的方式顯示。支持逐行掃描的信號數(shù)據(jù)量很大，在電視技術(shù)發(fā)展的初期要通過天線傳輸?shù)拇祟愋盘枠O其困難。為了能減少信號的數(shù)據(jù)量，同時(shí)不影響圖像的視覺效果，人們提出了隔行掃描的方法。

與模擬相機(jī)不同，數(shù)字相機(jī)會(huì)通過其內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并編碼為數(shù)字視頻后，按照RS-422、LVDS (RS-644) 、 FireWire 1394、USB、Camera Link或千兆以太網(wǎng)GigE(Gigabit Ethernet)等標(biāo)準(zhǔn)傳輸。相機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定了它能從暗到亮識(shí)別的灰度級數(shù)，常用位深度(bit depth）來表述，如8位、10位、12位或16位等。

對于彩色相機(jī)來說，相機(jī)的位深度決定了RGB各色彩分量中灰度數(shù)據(jù)的豐富程度，也就決定了相機(jī)能識(shí)別或表示的顏色數(shù)量。對黑白相機(jī)來說，位深度則直接決定了相機(jī)可以識(shí)別的灰度級數(shù)。

例如，一個(gè)8位的黑白數(shù)字相機(jī)最高能夠檢測0(暗)~256(亮）個(gè)灰度級，而一個(gè)12位相機(jī)則可以檢測0~4096個(gè)灰度級。如果要檢測的灰度級間隔比較細(xì)，則應(yīng)盡量使用位數(shù)高的相機(jī)。例如，若要檢測213和214灰度級之間的灰度級，則應(yīng)使用超過8位的相機(jī)。

數(shù)字視頻信號多采用逐行掃描方式代替隔行掃描，且用幀有效（frame enable）和行有效(line enable)信號代替了模擬視頻信號中的場同步和行同步信號，來精確控制每行和每幀圖像。每行中的單個(gè)像素都以獨(dú)立數(shù)字信號的形式，在像素時(shí)鐘的控制下傳送，由于數(shù)字視頻信號的同步信號（幀有效、行有效和像素時(shí)鐘）與圖像數(shù)據(jù)并沒有像模擬視頻信號那樣混合在一起傳輸，因此數(shù)字視頻信號不存在模擬視頻信號的像素抖動(dòng)問題。此外，數(shù)字視頻相對于模擬視頻有較高的分辨率和幀率、較多的灰度等級、高傳輸速度、較低的信號衰減和噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

6、總結(jié)

為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇相機(jī)，是一個(gè)綜合鏡頭和圖像采集卡與相機(jī)的接口以及相機(jī)自身參數(shù)的逐步篩選的過程。按道理來說，第一步應(yīng)該確定相機(jī)與鏡頭和圖像采集卡的物理接口，以便所選的相機(jī)可以與鏡頭和采集卡正常連接。但是，由于目前相機(jī)與鏡頭和電腦/圖像采集卡之間的接口都趨于標(biāo)準(zhǔn)化，這就使得我們可以直接從項(xiàng)目對機(jī)器視覺系統(tǒng)的精度要求入手來選擇相機(jī)。

相機(jī)選擇并無固定流程可循，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行（暫不考慮預(yù)算)︰

• 根據(jù)項(xiàng)目要求和機(jī)器視覺成像系統(tǒng)模型，確定相機(jī)的傳感器尺寸及分辨率。
• 確定相機(jī)的輸出方式及標(biāo)準(zhǔn)（模擬/數(shù)字，色彩，速率等)。
• 確定相機(jī)物理接口及電器接口。
• 確定相機(jī)其他性能指標(biāo)。

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本文參考：圖像處理、分析與機(jī)器視覺（基于LabVIEW），強(qiáng)烈推薦閱讀~

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的工业机器视觉系统相机如何选型？（理论篇—3）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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