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。

机器视觉之工业摄像机知识点(三)_第1张图片

 

机器视觉之工业摄像机知识点(三)_第2张图片

 

机器视觉之工业摄像机知识点(三)_第3张图片

 

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

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