机器视觉之工业摄像机知识点（三）

一、机器视觉相机概述

相机的主要功能是采集图像。较早的相机称为模拟相机，需要配合图像采集卡使用，通过采集卡将模拟电信号转换成数字电信号，再传送至电脑。随着IEEE1394，GigE、USB3.0、CameraLink、CoaXPress等数字接口技术的发展和普及，模拟相机逐渐被数字相机所取代。

数字相机遵从一定的通信协议，能够直接将采集到的图像转换为数字电信号，因此已成为机器视觉系统中的主流相机。

二、CCD相机组成与工作原理

1、CCD传感器

电荷耦合件（Charge Coupled Device）是一种半导体成像器件，能感应光线，并将光信号转换为电信号。具有灵敏度高、抗强光、体积小、寿命长、抗震动等优点。典型的CCD相机主要由CCD芯片、驱动电路、信号处理电路、视频输出模块、电子接口电路、光学机械接口等组成。CCD芯片上包含的像元数越多，其提供的画面分辨率越高。

2、CCD相机的工作原理

被摄物体一方的光线经过光学镜头聚焦至CCD芯片上，在驱动电路提供的驱动脉冲下CCD完成光电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信号转换为电信号输出。信号处理电路接收来自CCD的电信号，并进行采样保持、相关双采样、自动增益控制等预处理，然后进行视频信号合成，即将CCD输出的电信号转换为所需要的视频格式输出。

三、CMOS相机组成与工作原理

1、CMOS传感器

CMOS是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写，CMOS技术将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理器、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，从而提高了CMOS相机的集成度与设计的灵活性。

CMOS相机一般由CMOS图像传感器、外围控制电路、FPGA或DSP处理模块、接口电路组成。

感光芯片将入射的光信号转换为电信号，并以一定形式收集并存储电荷信号然后输出至FPGA芯片。FPGA对该信号做一定的预处理后缓存至内存，以待后续的图像传输。图像的传输经由相应的通讯接口传输至图像接收端。

2、CMOS相机的工作原理

在光电转换这个过程中，CMOS相机的工作流程与CCD相机相似。都是利用光电二极管进行光电转换。两者的主要差异是图像数据传送的方式不同。在CCD传感器中，每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一行像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大，因此信号的输出一致性好；而在CMOS传感器中，每个像素单元都会集成一个放大器及模/数转换电路，CMOS芯片可以直接输出数字信号，大部分CMOS相机设计直接加有FPGA或DSP处理模块，可对图像数据进行滤波、校正等预处理。

 

 

 

四、相机的分类

1、按芯片工艺类型

分类	主要区别
CMOS	（1）CMOS集成在金属氧化物的半导体材料上 （2）CMOS的制造成本和功耗低 （3）色彩还原能力偏弱 （4）CMOS芯片有卷帘式曝光和全局式曝光，卷帘式曝光适合拍摄静止物体，拍摄运动物体有拖影，且图像会变形；全局式曝光可以拍摄静止或运动物体
CCD	（1）CCD集成在半导体单晶材料上 （2）CCD的制造成本和功耗高 （3）色彩还原性相对较强，图像锐利度、清晰度好 （4）CCD芯片曝光方式一般为帧曝光或全局曝光。可拍摄静止或运动物体

2、按传感器类型（像素排列方式）

分类	主要区别
线阵相机	（1）芯片为线状 （2）相机和物体间要有相对运动才能成像 （3）价格比较高 （4）能够拥有非常高的行频和横向分辨率 （5）由于传输数据量大，数据传输接口一般为GigE接口或cameralink接口、coaxpress接口
面阵相机	（1）芯片为面阵，相机接口常见有C、CS、F （2）物体静止或运动都可成像 （3）根据性能，价格不一 （4）可以实时获得二维图像信息，能够直观的对图像进行测量 数据传输接口有GigE、IEEE1394、USB、CameraLink等多种接口

3、按图像模式

分类	主要区别
彩色相机	图像为彩色
黑白相机	图像为灰度图像

4、按信号输出方式

分类	主要区别
模拟相机	（1）一般分辨率较低，常见40万，采集速度慢，典型帧速为每秒30帧，价格便宜 （2）模拟相机分为逐行扫描和隔行扫描，一般都是隔行扫描，且图像传输易受到噪声干扰，导致图像质量下降 （3）信号输出为模拟信号，在相机外部采用图像采集卡进行模/数信号转换 （4）多用在实时监控等安防行业，市场使用率逐渐降低
数字相机	（1）分辨率从30w到1.2亿多种选择，采集速度快，价格不一 （2）有卷帘曝光和全局曝光方式，图像质量好 （3）信号输出为数字信号，在相机内部完成模/数信号转换 （4）逐渐取代模拟相机

5、其他分类方式

按分辨率大小	可分为普通分辨率相机、高分辨率相机
按输出信号速度	可分为普通速度相机、高速相机
按响应光谱	可分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等

五、相机采集模式

采集模式分为了连续采集、外触发采集和软触发采集三种。

连续采集指相机进行连续曝光，输出实时图像。

外触发采集是指当相机处于外触发模式后，相机处于待机模式，不曝光，只有当相机通过I/O接口收到相机规定的单个脉冲（方波）信号后，传感器曝光一次。

参考：

奥普特机器视觉手册