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机器视觉基础知识(2)

时间:2013-03-07来源:机器视觉网http://pcmv.cn 作者:石鑫华 点击: 999999次

机器视觉基础知识(2)

机器视觉系统组成-相机

传感器的尺寸

    图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如:1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4:3 (H:V),数字相机的长宽比例则包括多种:1:1,16:9,3:2 等。

物理放大率

   传感器感光面积于视野的比值,整个参数基本取决于镜头

系统放大率

   最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统的阐述。对于自动测量和检测系统而言,物理放大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要人机交互进行检测的系统有意义

像素(Pixel =picture + element)

   传感器感光面上最小感光单位。

分辨率(Resolution)

    模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量,数字相机的传分辨率则直接取决与传感器上像素的数目。

像素长宽比

   指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值,对于正方形的象素来说,其比值为1:1。此参数,对于系统的标定有直接影响。

快门速度(Shutter Speed)

   CCD/CMOS相机多数采用电子快门,通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分(曝光)时间。对于一般性能的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。

帧频率(Frame Rate)

   相机每秒中能够输出图像的帧数,对于模拟制式相机,这个频率是固定值,对于数字相机,是个可变的值。

像素速率(Pixel Rate)

   相机每秒中能够输出像素的个数,仅仅对于数字相机有意义。

卷帘快门(Rolling Shutter)

   多数CMOS图像传感器上使用的快门,其特征是逐行曝光,每一行的曝光时间不一致。

全局快门(Global Shutter)

   CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门,传感器上所有像素同时刻曝光。

异步触发

   通常情况下相机是一帧一帧拍摄的,所以进行高速拍摄的时候最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期,对于某些支持异步触发的相机,可以在当前帧扫描尚未完成的情况下,将当前帧抛弃,直接开始新一帧图像的扫描,可以使得高速拍摄的同步精度达到一行的扫描周期。

最低照度

   又称灵敏度,衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是指相机获得30%最大输出值时候所需的照度。单位是Lux。

局部扫描

   多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素,这些像素位于某个矩形窗口内。通过局部扫描可以获得更高的帧频率。

传感器的光谱

下面是一个典型的CCD图像传感器对于不同光谱的响应曲线。 一般来说sensor对红色光的感应最高
CCD光谱响应曲线
CCD光谱响应曲线
信号格式
模拟图像信号的格式包括:复合视频信号,Y/C分离信号,RGB分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号,Y/C分离传输的方式优于复合视频传输的方式,RGB分量传输的方式又优于Y/C分离传输方式。 
数字相机的信号传输格式更为复杂,目前普遍应用的包括:
* LVDS
*  IEEE-1394(Fire Wire)
*  USB 2.0/3.0
*  CameraLink
*  GigE/Ethernet,包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像的百兆协议。

工业相机的基本结构

工业相机的基本结构
工业相机的基本结构
•    图像传感器(Image sensor):是一个由N行及M列感光单元(CCD Pixel)组成的矩阵。
•    CCD的基本工作原理:当光子撞击到硅原子上时,会产生自由电子,再将这些自由电子收集在一起形成信号。
CCD结构
CCD结构
•    CCD的电荷存储器:能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形成的电流,便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。
•    CCD成像的“溢出”(Blooming)问题:当CCD象素接收到过多的光子,存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素“溢出”。致使整个区域成像变亮。
成像溢出(腐蚀)
成像溢出(腐蚀)
•    相机拍照时间示意图
•    电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率(Frame rate)是相对固定的。因此,传输速率是相机的成像速度的“瓶颈”。例:电子快门速度可达1/1000秒,但成像却只能达到60帧/秒。
快门时间与成像时间
快门时间与成像时间

按照图像传感器区分

CCD相机:使用CCD感光芯片为图像传感器的相机
CMOS相机:使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机
按照输出图像颜色区分
单色相机:输出图像为单色图像的相机。
彩色相机:输出图像为彩色图像的相机。

按照传感器类型区分

面扫描相机
传感器上像素呈面状分布的相机,其所成图像为二维“面”图像。
线扫描相机
传感器上呈线状(一行或三行)分布的相机,其所成图像为一维“线”图像。

模拟相机 VS 数字相机

   相对来说模拟相机的价格比较低廉,使用比较简单。但是模拟相机存在一个分辨率和帧频率的上限,而且对于传输过程中的噪声和损耗也较为敏感。数字相机,通常具有更高的分辨率,当然价格也更昂贵,而且牵涉到比较复杂的安装调试工作,即使这个系统只需要最简单的功能,数字相机的传输距离通常较模拟相机短。
*数字相机最终将取代传统模拟相机
*CMOS芯片最终将取代传统CCD芯片
*CAMERALINK数字接口技术将流行
*FIREWIRE数字接口采集卡将被广泛使用
*专业的机器视觉专用相机将成为发展趋势
 
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