机器视觉应用基础: 工业相机


工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其本质的功能就是将光信号转变成

为有序的电信号,将这个信号 A/D 转换并送到处理器后就可以处理、分析、识别。选

择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的不仅是直接决定所采集到

的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。


2.1 工业相机的发展

工业相机核心的部件就是图像传感器,分为 CCD(Charge Coupled Devices)电

荷耦合器件和 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补金属氧化物

半导体,CCD 是 60 年代末期由贝尔试验室发明,而 1963 年 Morrison 发表可计算传

感器,可以利用光导效应测定光斑位置的结构,成为 CMOS 图像传感器发展的开端,

1995 年低噪声的 CMOS 有源像素传感器单片数字相机获得成功。它们开始都是作为

一种新型的 PC 存储电路,很快由于其具有许多其他潜在的应用,以及体积小、重量

轻、分辨率高、灵敏度高、价格低等特点,迅速发展起来,同时促进了机器视觉的发

展,特别是针对机器视觉所要处理的目标图像大多为运动物体,电子快门、外触发的

扫描再启动、逐行扫描以及远距离控制和调节等功能,更大地促进了机器视觉系统的

开发,所有这些主要针对机器视觉系统而开发出来的功能是过去的光导摄像真空管所

无法比拟的。


2.2 工业相机相关概念


2.2.1 图像传感器类型

图像传感器按照工作原理可以分为 CCD、CMOS,由于 CMOS 传感器每个像素点

都有一个电信号放大器,因此每个像元有效感光面积会小于同尺寸的 CCD,从成像效

果来说跟 CCD 有一定差距,在低照度环境下 CMOS 表现为噪声大,但是其工作效率

比较高,价格也比较低廉,各自工作原理和优劣势后面章节会有详细描述


2.2.2 扫描方式

按照图像传感器的结构特性可以分为线阵和面阵,线阵传感器工作时类似于扫描

仪,一行或多行像素进行循环曝光(具体扫描顺序不同相机略有区别),在电脑上逐

行生成一帧完整图像,扫描速度比较快,应用在特殊场合,如大面积检测、高速检测、

强反光检测以及印刷、纺织等行业,一般需要配备运动装置(滚轴或直线),无论相

机运动还是被测物运动均可,但都需要运动速度与采集速度完全匹配才能扫描出最真

实的画面,否则画面会压缩或者拉伸,面阵相机传感器是像素点按照矩阵排列,传感

器曝光(行曝光或帧曝光)完成后直接输出一帧图像;


2.2.3 分辨率(Resolution)

图像传感器(Sensor)由许多像素点(Pixel)按照矩阵形式进行排列,分辨率用来描

述像素点的分布情况,由横向像素点数(H)×竖向像素点数(V),其乘积接近于相

机的像素值,就是我们平时说到的几百万像素或者几千万像素,常用面阵工业相机像

素值为 130 万、200 万、500 万象素等,线阵传感器的竖向像素点(V)一般有 1~4

行,描述按照横向像素点数(H)分为 1K、2K、4K、6K、8K,16K 等(1K=1024)。

分辨率对于数字工业相机一般是直接与光电传感器的有效像元数对应,对于模拟

相机则是取决于视频制式,PAL 制为 768*576,NTSC 制为 640*480,也由于模拟相机

要在 PC 机上采集图像需要配合图像采集卡,因此分辨率与采集卡分有关,像素点不

一定是一一对应关系。

2.2.4 像素尺寸(Pixel Size)

像素尺寸也叫像元尺寸,是指每个像素的实际大小,像元为正方形,单位μm,像

元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小,工业相机像元尺寸一般为 1.4μ

m-14μm,像元尺寸越小,制造难度越大,适配的镜头也比较少,图像质量也越不容

易提高。


2.2.5 传感器尺寸

面阵传感器尺寸是指传感器实际大小,以对角线实际长度为传感器尺寸,以英寸

(“)为单位,表示为(X/Y)×1″(这些规格也是沿袭了视频真空管的习惯,并非其实际

尺寸,因此这里的 1″=16mm,并非 25.4mm),常见的长宽比为 4:3,下图例出常见

的面阵传感器尺寸

1 英寸--靶面尺寸为宽 12.7mm*高 9.6mm,对角线 16mm。

2/3 英寸--靶面尺寸为宽 8.8mm*高 6.6mm,对角线 11mm。

1/2 英寸--靶面尺寸为宽 6.4mm*高 4.8mm,对角线 8mm。

1/3 英寸--靶面尺寸为宽 4.8mm*高 3.6mm,对角线 6mm。


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线阵相机则根据不同传感器型号略有不同,以传感器实际长度描述,单位是 mm,

可通过每行像素数×像元大小得出


2.2.6 电子快门

工业相机一般都具备电子快门特性,电子快门不需任何机械部件,采用电子快门

控制传感器的感光时间。较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”

效应,从而大大地增加了相机的动态分辨率。


2.2.7 曝光时间(Exposure)

传感器将光信号转换为电信号形成一帧图像,每个像元接受光信号的过程叫曝光,

所花费的时间叫曝光时间,也叫快门速度;


2.2.8 曝光方式

面阵相机:分为行曝光 (Rolling shutter)与帧曝光(global shutter),行曝光也叫卷

帘快门,帧曝光也叫全局快门,行曝光是指从传感器左上角开始逐行曝光,帧曝光是

指整个传感器所有像素同时曝光;

线阵相机:不同的相机曝光方式不同,常见的为从左向右曝光,其他还有从右向

左,从左右向中间等曝光方式;


2.2.9 帧率(Fps)

面阵相机参数,指相机采集传输图像的速率,每秒采集或曝光的帧数(Frames/Sec.),

一般为该相机支持的最大曝光次数;


2.2.10 行频(Line Rate)

线阵相机参数,指传感器每秒钟采集或曝光多少行,一般为最大曝光多少行,单

位 Hz;


2.2.11 帧存

相机内部一个缓存单元,主要用于将传感器采集到的图像数据进行缓存,然后再

向外传输,一般存储空间可缓存 2 张以上图片数据,可防止因为数据堵塞造成的数据

丢失;


2.2.12 像素位深(Pixel Depth)

即每像素数据的位数,像素位深也叫数据位数,一般为 8 位、12 位、14 位、16

位等,主要是指在相机内部进行模拟信号转数字信号后,使用多少位数据来描述单个

像素点的图像信息,一般来说数据位数越高描述的数据越精确;


2.2.13 镜头接口

工业相机与镜头连接的接口标准,主要接口有 CS(安防、监控行业为主)、C、F,

Mxx(xx 为直径),不同接口直径、螺纹、镜片与相机传感器之间的距离不同;

2.2.14 光谱响应特性(Spectral Range)

指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般相机响应范围是 350nm-1000nm,

彩色相机在传感器跟镜头之间加了一个滤镜,滤除红外光线,因此彩色相机只响应可

见光波段,如果系统需要对红外感光时建议使用黑白相机。


2.2.15 数据接口

模拟相机主要有 AV、BNC 接口,适配同轴电缆

数字相机根据发展顺序有 USB、1394、千兆网、Cameralink 等,每种接口有不同

时期的版本,具体参数可参考下表:

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2.3 工业相机相关技术


2.3.1 Bayer 彩色

Bayer 是一种彩色图像生成算法,为降低成本、减小体积、减少数据量,一般工


业彩色相机输出为带颜色信息的 8 位数据,在电脑端通过 Bayer 算法转换为实际彩色

图像,这种是利用牺牲分辨率的方法,实际是在相邻的像元传感器上覆盖三基色滤波

器,称作彩色滤波阵列(Color Filter Arrays,CFAS),使得入射的光在照射到传感器之

前进行色彩分离,由于传感器每个像素仅能采集一种颜色信息,参照模拟人眼对色彩

的敏感程度,将 2×2 像素阵列(1 红 2 绿 1 蓝)的方式将灰度信息转换成彩色信息,

一个 4×4 阵列,由 8 个绿色、4 个蓝色和 4 个红色像素组成,在将灰度图形转换为彩

色图片时会以 2×2 矩阵进行 9 次运算,最后生成一幅彩色图形。具有 Bayer 滤波器

CCD 的原始输出被称为 Bayer 模式图像。因为每一个像元仅仅记录了三基色中了一

个颜色,三分之二的彩色数据丢失了。使用反马赛克算法来对每一像元进行插值,恢复

每一像元的 RGB 三成分。目前这种算法很多,各公司的产品都不完全相同。

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2.3.2 采集模式

采集模式分为连续采集、外触发、软触发三种模式:

连续采集模式


相机进行连续曝光,输出实时图像数据;

外触发模式

相机进入外触发模式后,相机处于待机状态,不进行曝光,只有当相机通过 I/O

口接收到相机规定的单个脉冲(方波)信号后,传感器曝光一次,部分相机支持脉冲

信号的上升沿、下降沿、高/低电平触发;

软触发模式

相机进入外触发模式后,相机处于待机状态,不进行曝光,只有当相机接收软件

发出的指令后,传感器曝光一次;


2.3.3 增益

工业相机通常具有一个对传感器的信号进行放大的视频放大器,其放大倍数称为

增益。


2.3.4 白平衡

白平衡功能仅用于彩色 CCD 相机,其主要功能是实现相机图像对实际景物的精

确反映。简单地说白平衡就是无论环境光线如何,仍然把“白”定义为“白”的一种

功能,由于传感器本身没有这种功能,因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正,

这种修正就叫做白平衡,一般来说彩色相机配套软件中都有这个参数,调节 R、G、

B 三色(部分相机调节其中的两种颜色),以得到真实的色彩;

一般分为手动白平衡和自动白平衡两种方式,自动白平衡功能一般分为连续方式

和按钮方式。处于连续方式时,相机的白平衡设置将随着景物色温的改变而连续地调

整,范围一般为 2800~6000K,这种方式适宜于对于景物的色彩温度在成像期间不断

改变的场合,可使色彩表现更加自然,但对于景物中很少甚至没有白色时,连续的白

平衡功能不能产生最佳的彩色效果;处于按钮方式时,可先将相机对准白色目标,然

后设置自动方式开关,并保留在该位置几秒钟或至图像呈现白色为止。在执行白平衡

后,重新设置自动方式开关以锁定白平衡设置,此时白平衡设置将存储于相机的存储

器中,其范围一般为 2300~10000K。以按钮方式设置白平衡最为精确,适用于大部分

应用场合。相机处于手动白平衡状态时,可通过手动方式改变图像的红色或蓝色状况,

有多个等级供调节,如增加或减少红色各一个等级、增加或减少蓝色各一个等级等。

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2.3.5 Binning

Binning 是 CCD 图像传感器的一种专门读出方式,它同时读出相邻的二个或多个

像元,例如垂直方向同时读出二个像元,并将它们的电荷相加,这样,分辨率减低了

一半了,但帧速提高了一倍了,灵敏度和信噪比也提高了。Binning 读出方式是机器

视觉经常用到的方式,它可以用软件接口来控制,所以从正常读出到 Binning 方式的

转换控制很方便。


2.3.6 Gamma(γ 伽玛)校正

在整个视觉系统中需要进行两次转换:图像传感器将光图像转换为电信号,即所

谓光电转换;电信号经传输后,在接收端由显示设备将电信号还原为光图像,即所谓

电光转换。为了使接收端再现的图像与输出端图像相一致,必须保证两次转换中的综

合特性具有线性特征。 图像传感器上的光(L)和从相机出来的信号电压(V)之间的关系

为 V=Lγ。对于机器视觉应用,γ 系数应为 1.0,从而为光和电压之间提供了线性关系。

Gamma 校正是为校正显像管的非线性而设立的。在机器视觉系统中,视频信号于主

要不是给人观看的,而是给机器“看”的,所以保持视频信号与景物的线性关系是重

要的,而不需要作 Gamma 校正,大多数相机中的 Gamma 校正是可以选择的,用户

可通过软件接口的命令来灵活地控制。

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2.3.7 光谱特性

图像传感器对光波的敏感范围很宽,可见光谱大约在 400nm 至 700nm 范围内,

如下图中红线,大量的红外光谱人眼是不能直接看见的,为了不使人眼不可见的光谱

成分投影到光敏像元上去,产生不必要的势阱饱和,提高图像传感器的动态范围,同

时也为了使相机和人眼对外界图像的感应尽可能一致起来,应该将大于 760nm 的红

外光谱尽可能滤掉,只留下可见光谱,并尽可能使其平坦。这种滤波器称为 Infra-Red

Filter,它是一块晶片,放在镜头和 CCD 之间,加了 IR filter 后,黑白相机的典型光谱

曲线见下图中的黑虚线,彩色工业相机都具有 IR 滤波器,

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2.4 图像传感器


2.4.1 CCD 工作原理

CCD 是在硅片上由整齐排列的光敏二极管单元组成的,它们整齐地排成一矩形方

阵,其中每一个光敏单元称为像元,当光照射到硅片上的方阵时, 每一个像元中的

原子在具有一定能量的光子作用下,电子从原子中逃逸,形成了一对自由电子和失去

电子的原子空穴。投射到光敏单元上的光线越强,产生的电子—空穴越多。

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在硅片上这些电子是可以和空穴分离的,并可以收集起来,电子—空穴对的分离

和收集用半导体中的势阱就可以完成,就像用水桶收集雨水一样(如下图)。排列的

水桶相当于排列的光敏单元(像元),它们像收集雨水似的收集由光子作用产生的电

子。电子数主取决于光照强度和收集(积分)时间的长短,收集完成后,最右边的桶

将桶中的电荷倒入设在输出端的电子测量单元,电荷/电压转换单元,将电子转换成

相应的电压,形成了一个像元的视频信号。最右边桶中的电子倒空后,又可以接收从

旁边桶中倒入的电子,这样相邻桶之间不断向输出端倒换(移位)桶中的电荷,直至

倒换(移位)到输出端的电子测量单元,转换成像元电压。

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构成 CCD 的基本单元是 MOS(金属氧化物—半导体)结构,在半导体和金属栅

电极之间加上足够的电压时,形成了能存储电荷的势阱,在栅极和半导体之间加上电

压(10V)后,形成了能存储电荷的势阱,当光线射在这个二极管上时,能在势阱中

产生与光能量成正比的电荷;同时,这个势阱还有累积功能,当光线在一时间段内照

射时,它能将这一时间段内,由光线强弱产生的电荷累集起来。当多个栅极紧紧排列

在一起(间隙宽度小于 3μm),并在它们上面加上按一定规律变化的电压时,存储在

势阱中的电荷就可以移动起来。

当电极②从 2V 变为 10V 时,电极①势阱中的电荷流向第②个电极,并和第一个

电极平均分配,也称电荷耦合,第①电极由 10V 降为 2V 时,电极①中的电荷全部倒

入电极②下的势阱,这样电极①中代表象元光照强度的电荷移位到电极②下的势阱了。

这种电荷从一个电极(电荷寄存器)到另一个电极的移位就是 CCD 的基本动作,使

用这种移位将阵列中的每一个像元电荷逐行、逐列地转移至输出端的电荷/电压转换

单元,形成了以电压代表象元光照强度的视频信号。这也是为什么将 CCD 称为电荷

耦合器件的原因。

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2.4.2 CMOS 的工作原理

CMOS 将 NMOS 和 PMOS 二个相反极性的 MOS 半导体串起来,形成了集成电路

中广泛使用的一个基本单元。无论是 CCD 还是 CMOS,它们都是用光敏像元阵列将

入射的光图像转换成像元内的电荷,所不同的是将这些像元中的电荷取出,并转换成

电压的方式和途径不同。我们曾在前面提到,CCD 是用电荷量来载荷图像信息的,那

CMOS 就是用电压量来载荷图像信息的。像元将光转换为电荷后,用电荷耦合的方法,

将电荷逐点、逐行地用电荷移位寄存器移出,直至电荷/电压转换器,图像信息用电

荷的形式在芯片内移动输出;而 CMOS 则以完全不同的方式将图像信息送出像元阵

列,每一个像元光敏单元都有一个电荷/电压转换单元与之相伴,所以像元电荷马上

转换成为电压,再通过与之对应的矩阵开关,将电压送出阵列,所以 CMOS 的图像信

息是以电压的形式传送输出的。由于这种完全不同的结构,为它们带来了各自的长处

和短处。

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2.4.3 CCD、CMOS 对比

CMOS 已不再是几年前的低质量、高噪音的图像传感器了,CMOS 已可以应用于

很多高质量图像的场合。那么,这二种传感器哪一种更好呢?这是一个很难回答的问

题,关键在于对每一特定的应用,CCD 还是 CMOS 哪一种更合适。

  • 动态范围:由于结构上的差别 CCD 的噪音要比 CMOS 小,所以动态范围大;

  • 一致性:在同一照射条件下,不同像元对暗和亮的响应的一致性。由于 CMOS每一个像元都有自己的电荷/电压转换和放大器,所以一致性要大大低于用同一公共电荷/电压转换和放大器的 CCD。

        CCD的电子快门控制速度快,所以曝光时间的一致性好,而CMOS则较差了;

  • CMOS 由于是用矩阵开关将像元电压送出阵列的,对矩阵开关的控制较灵活,所以灵活性:CMOS 的图像开窗不仅可以在垂直方向,而且可以在水平方向同时实现;

详细对比可参考下表:

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CMOS 相机有超强的集成度、低功耗和小尺寸的优势;但在图像质量,特别在低

照度下和灵活性方面就要逊色多了。所以 CMOS 适合于批量大、有空间和重量限制,

而图像质量要求不是太高的领域,例如保安、生物测量仪等领域使用,包括机器视觉

系统中对图像质量要求不严的场合,例如数字或文学识别、易区分的缺陷检测、简单

物体几何分类、简单场景自动导航等等。

CCD 具有高质量图像、使用灵活的优势;但它有尺寸、价格等劣势。所以 CCD 最

适宜的是高端图像应用市场,例如数字照相、广播电视、科学和医学领域。目前,在

机器视觉领域,即使是在对图像质量要求不是很高的大部分应用中,由于传统市场的

影响,使用 CCD 的比例仍然很高。

虽然 CMOS 发展很快,大大侵占了 CCD 的地盘,但在可预见的将来,它们还是

会同时存在,各自占领有优势的领域。


2.4.4 电荷转移类型

隔行转移型(Inter-line Transfer,ILT)

在二列有效光敏像元之间,插入一列光屏蔽的电荷移位寄存器和一列相对应的转

移栅,当光敏像元光注入和电荷累积结束后,由每一列转移栅将像元电荷转移至相邻

的列电荷移位寄存器中。然后,一列列电荷移位寄存器同时向下移位至一行移往寄存

器,再由行移位寄存器移位输出。这种结构类型的主要优点是快门速度快,可任意地

起动和停止光敏像元的曝光。所带来的缺点是由于电荷移位寄存器和光敏单元相邻,

使光敏单元的有效光敏区减少,从而使像元的填充因子降低,动态范围降低,图像质

量降低。

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帧转移型(Frame Transfer,FT)

有效像元的光敏区和电荷移位寄存器分别放置在二个区域,光敏区在光注入,并

电荷累积后,用一个极短的脉冲由转移栅将光敏区像元的电荷转移到电荷移位寄存器

阵列,转移栅完成转移后,又将这二个区隔离开来,光敏区作下幅图像的光注入,电

荷移位寄存器逐行、逐列将像元电荷转移至电荷/电压转换器形成视频信号。由于不

像隔行转移型结构那样,将光敏区和电荷移往寄存器交叉放在一起,这样有效光敏像

元的尺寸就可以做得比较大,就会有较高的像元填充因子,较大的动态范围。帧转移

的缺点是快门速度低,制造时的晶片印模尺寸大,从而增加了制造成本。

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2.4.5 多通道传输

当分辨率、数据位数和帧率需要提高时,会要求相机信号的输出速度提高,由于

相机的主时钟频率有一定限制,可能已经无法提高了,为此产生了多通道输出工业相

机,这种相机的输出使用 2 个或 4 个通道,将整幅图像划分成二个或四个子区域,通

过这些通道,同时将子区域的像元输出,即在一个时间,并行输出二个或四个像元数

值,如果通常的单通道为 8bits,二通道传送 16bits,四通道传送 32bits 的宽数字信

息,这种技术常用于高像素相机(如 2900 万相机)和高速相机。


2.4.6 灵敏度

图像传感器将光能转换成电荷的效率,又称光注入电荷能力,取决于多个因素。

光注入电荷

Qin=k·A·Noe·tc (1)

式中,Qin 为注入电荷量;k 为固定系数;A 为光敏单元的受光面积;Noe 为入射

光的光强;tc 为光注入时间。

从上式可以看出,k 和半导体材料有关;A 和 CCD 的晶片尺寸和结构有关,k 和

A 决定了该相机的灵敏度,尤其是受光面积 A,更是影响灵敏度的关键;Noe 与入射

光的光谱和光强有关。在 k 及 A 都确定后,光注入的电荷就只和 Noe 和时间 tc 成正

比了,也就是说和投影到光敏像元上的光强度和光照的累积时间成正比。控制累积时

间 tc,就是控制相机的曝光时间,为相机设计电子快门提供了基础。

相机的灵敏度和动态范围一样,与噪音有关。假设噪音的的方差σ等效于 100 个

光电子,那么为了保证从噪音中检出信号,信号至少应大于 3σ才能较稳定地被检出,

也就是最小可检出信号,即灵敏度应为 300 个光电子。


2.4.7 噪声

工业相机的噪声主要来自两个方面:图像传感器芯片和芯片外部的外围电路。

 图像传感器芯片内的噪音:

光注入、电荷耦合转移、电荷/电压转换等过程中产生的电荷的随机变化;

暗电流:在无光照的情况下,由于热激发而产生的电子随机运动。

外围电路噪音:

放大器、A/D 等内部电压的随机起伏变化;它们互相间的信号连接线,甚至于电

源受外部干扰而产生的噪音。

在这里我们顺便提一下,即使是用同一种传感器芯片,不同厂家生产出来的工业

相机,由于其所采用外围芯片的差异、电路设计和布局等因素,相机最终的输出视频

信号中的噪音大小也会有较大的差异。


2.4.8 信噪比

就是信号和噪音之比,取决于势阱容量的视频的最大不饱和电压和各种噪音之和

的均方差的比例

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其中 S 为视频输出的最大电压,N 为噪音的均方差,用分贝(db)表示。


2.4.9 电子快门

实际就是指用程序控制图像传感器曝光时间,为了与过去机械快门相对应,成

为电子快门,实际上是没有“门”的,利用电子快门,很容易实现通过软件或者函

数远程控制相机,对于运动速度较快的物体,必须保证曝光时间足够短,才可以清

晰成像,否则在相机进行曝光的过程当中,物体有很大的位移,运动物体的图像变

模糊,但是过小的曝光时间需要又会使图像传感器接受光的时间变短,从而影响图

像变暗,因此根据不同情况要方便调整电子快门,这种非机械式的、具有很大的灵

活性的快门控制,给视觉系统带来了极大的好处。


2.5 工业相机类型


2.5.1 工业模拟相机

模拟相机采用隔行的扫描方式,是由传感器奇数行像素先扫描形成奇场图像,随

后偶数行形成偶场图像,由奇偶场交错合成一帧图像,由于该类型相机输出的信号是

模拟量,因此被称为模拟相机,该相机可以直接连接电视机或者监视器输出图像,如

要连接 PC 机需要配合有 A/D 转换功能的采集卡才能被计算机识别,这种相机是过去

安防以及视觉检测中最常用的相机,行业标准也很规范,相关知识如标准视频信号、

PAL/CCIR、NTSC/EIA、SECAM 等方面知识,本书不再累述。

由于模拟相机奇偶场图像的曝光期间是交错的,所以获取的不是运动物体在同一

时间段曝光的图像,因此奇偶场图像合并在一起时,形成了所谓的运动撕裂,在机器

视觉系统中,这种失真是很严重的。

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消除这种失真的最有效的办法是逐行扫描,逐行扫描相机可以和模拟相机一样具

有相同的分辨率,但扫描方式不是隔行的,这种扫描方式也是工业数字相机普遍采用

的。


2.5.2 工业数字相机

将 A/D 转换放在相机内,甚至放在图像传感器芯片内,例如 CMOS 芯片,将模

拟视频转换成数字量,相机的视频输出是二进制数字,可以直接连接 PC 并被 PC 识

别,这样的工业相机被称作工业数字相机。对于同一类像元传感器的相机来说,因为

A/D 在相机内,A/D 的时钟可直接使用图像传感器的主时钟,时钟与每一个像元的有

效视频输出时间紧密配合,所以时钟采样的视频值准确地表达了每一个像元之中的电

荷量。如果 A/D 是在采集卡内,采样的时钟是图像卡依据行频锁相产生的,它已无法

与相机的主时钟保持相位上的一致,所以图像卡的采样时间不能保证对准相机的每一

个像元的视频值。从而在一定的程度上,带来分辨率的降低,并产生抖动误差。并且

有效消除了视频长线传送时引来的噪音和干扰,以及视频在长线内的反射降低信噪比。

如果视觉系统要求分辨率提高,数据位深加大以及帧速提高,都会大大增加视频传送

的速度和频带,要求相机的主时钟频率提高,而主时钟的提高是有限度的,从而最后

影响到相机的帧速和数据输出速度,而数字相机除了非常适合于非标准的逐行的花样

繁多的扫描格式外,它甚至于可设计成数字视频的多通通输出,从而成倍地提高数据

输出速度以及帧频。


2.5.3 三晶片彩色相机

在机器视觉系统中,图像的彩色信息还是很有用的,图像传感器虽然能对光谱中很宽

部分敏感,但它不能区分不同光谱的颜色,为了获取准确的色彩信息,使用三个独立

的图像传感器,每一个单独的测量原色、红色、绿色或蓝色光。

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为了将光谱中的三基色光分开来,只能在 CCD 芯片前加彩色滤波器。例如使用

一三棱镜组,将图像分为 RGB 三个基色图像,分别投影到三片 CCD 芯片上,获得 RGB

三幅图像的视频信号。这种结构的相机被称作三晶片彩色相机,它能获取较高质量的

图像,但结构复杂,价格昂贵。


2.5.4 智能相机

智能相机(Smart Cameras)是一个包容了图像传感器、A/D 转换、图像缓存、信

号处理器、通讯接口等机器视觉系统大部分部件的相机。从更广泛的意义上来说,能

称得上“智能”的相机,依据应用情况的不同可以大为不同。

智能相机具有以下特点:

1. 将视觉系统基本上完全包含在相机内,在视觉处理过程中不需要图像卡和 PC

机;

2. 相机与生产系统的通讯容量大大减少,仅为控制量、参数等非图像数据,对

通讯的要求大为简化;

3. 体积小,容量轻;

4. 价格低。

智能相机的软件有下列几种:

1.每一个相机所特有的(hand-held program Device)编程工具,使用内部的命令

集直接在屏幕上来进行编程和控制;使用简单直观,不需要 PC 或其他软件;

2.为了提高相机的运行效率和运行速度,更高级的支持是一个命令编辑器和编辑

器的组合使用。前者是在相机内运行的命令。这些命令是通过编辑器在 PC 机上编辑、

解译而形成的,从 PC 将这些命令送到相机运行。在正常工作时间,相机按编辑器编

辑的程序独立运行。

智能相机的出现对基于 PC 的机器视觉系统带来了很大的冲击。随着 DSP 和 FPGA

的速度越来越快,处理能力越来越高,相机的智能也越来越强,当然,对传统的基于

PC 的系统也越来越强,所以智能相机和基于 PC 的视觉系统各有优缺点。

基于 PC 的视觉系统的优点:

灵活:PC 本身的资源丰富,并非常灵活,可以有多种选择;

能力强:PC 能提供强大的处理能力和速度,能适应难度大而复杂的图像处理。

智能相机:

使用简单:智能相机具有用户友好的软件工具,用户不需要开发,直接选择使用

即可,不会编程的用户都能使用;

集成度高:整个视觉系统都浓缩在一个小小的机壳内,所以很容易集成到制造系

统中去;

可靠性高:由于它没有运动的机械部件,例如风扇;系统不是由几个离散的部件,

相机、图像卡、PC 机等组成,而是一个无运动部件的小机壳,具有很少的电缆和接

插件,所以可靠性高。

缺点:智能相机由于高度集成在一个小机壳内,会引起功耗和散热的问题,所以

不能采用太强的中央处理器,这就限制了智能相机的处理能力,所以智能相机视觉的

处理能力大多在中、低档、功能单一,并较适用于任务明确而要求成熟的场合。


2.6 相机日常维护

工业相机传感器清洗方法

1) 压缩空气

一般情况下,压缩空气足以清除掉 CCD 芯片内部的所有杂质。但不推荐喷雾剂

类型的压缩空气,因为喷雾剂中的压缩空气往往含有水、油等可能损坏 CCD 表面的

物质。

2) 微纤维材料

微纤维可以深入 CCD 的表面清除杂质,从而达到清洁目的

3) 纯酒精(浓度 90%以上)

该材料可在几乎所有的化学试剂店内买到。但注意,不要使用异丙醇,因为异丙

醇会吸收空气中的水分,在 CCD 表面留下液体痕迹。

4) 酒精替代品

除酒精外,甲醇或一种叫做 Eclipse 的液体也可被用来清洁 CCD 表面。但我们不

推荐使用这种方法,因为甲醇是剧毒物质。

5) 以上各种方法综合使用

可以综合以上各种方法,清洗相机 CCD 表面。如果手指摸到了 CCD 前端的玻璃,

也不必担心,这层玻璃很坚硬,除非使用玻璃刀、沙子或钻石,否则不会在它表面留

下划痕。


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