CCD相機的相關特性參數

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■    最低照度

最低照度是衡量CCD相機靈敏度的重要指標。它表示當降低環境光照度降低至一定程度，而使CCD相機所輸出的視頻信號電平低到某一規定值時，所對應的環境照度。例如：當環境照度降低至0.04lx時，CCD相機所輸出的視頻信號的幅值降為最大幅值的50%，則稱CCD相機的最低照度為0.04x（F1.2）。當環境照度繼續降低，CCD相機所輸出視頻圖像的像質將難以保證。

CCD相機的最低照度與所使用鏡頭的最大相對孔徑有關，在提供相機最低照度的同時，應注明測試時所所使用鏡頭的相對孔徑。 

■ 固定圖像噪聲（FPN）

當不采用曝光控制時，轉移柵結構的非一致性將導致柵極電位的微小變化。同時，柵極限制電阻也使柵極電位產生了微小變化，從而使光電二極管在每一積分周期的開始產生微小的電位差。因為柵極結構的特性是固定的，因此這些微小的電位差稱為「固定圖像噪聲（Fixed Pattern Noise）」；當采用曝光控制時，光電二極管的初始電位由復位管的基極決定。如果基極電位較先前的電位有所提高，則將會引入一定量的電荷。即使在零照度條件下，這些電荷也會通過轉移柵傳輸於CCD寄存器。這並不是主要問題，因為可以很容易地從輸出信號中去除直流信號。但是，轉移柵的非一致性將會產生直流偏置，且這一偏置在像素與像素間並不相同，從而使提高了固定圖像噪聲。

    固定圖像噪聲可通過非均勻性校正電路或采用軟件方法進行校正。

■ 分辨率

分辨率是CCD相機的最為重要的性能參數之一，主要用於衡量相機對物像中明暗細節的分辨能力。

相機的分辨率可以通過空間頻率或者TV線兩種方式來測量。這兩種測量不是一回事。如果把一個CCD圖像傳感器的一半面積遮蔽，以空間頻率表示相機的分辨率，其分辨率不變；若以TV線表示相機的分辨率，其分辨率則下降為原來的50%。

CCD相機的分辨率受到多種因素的影響，包括光源的光譜、鏡頭的F數等。同時，還受一定的主觀因素的影響。如：在一般情況下，對於什麼樣的目標圖像是「可識別」的，其標准並不一致。如果相機分辨率是關鍵參數，最好是在實際操作環境下對相機進行測試。

空間頻率和TV線

■ 掃描方式

□ 「標准」2：1隔行掃描

這是RS-170「標准相機」的掃描次序。這種由廣播電視系統發展起來掃描方式可以相對較低（30Hz）的幀速提供更為清晰的圖像。從一幀圖像的頂部開始，相機在第一個半幀時間裡讀所有的奇數線（1.3.5……479）。然後在第二個半幀時間裡又從幀頂開始讀所有的偶數線（0.2.4…..478）。在一個時間裡只變換半幀圖像，可以減少圖像的閃爍。

隔行掃描對於機器視覺可能會產生麻煩。因為相鄰的線是在不同時間掃描的，因此任何移動的物體在奇數線和偶數線的位置可能會不同，從而影響了成像質量。

□ 連續掃描

在視覺應用中，連續掃描相機正在變得越來越流行。連續掃描相機從一幀圖像中的頂部至底部以自然次序（0.1.2….479）進行連續掃描。一些線性連續掃描相機具有附加的電路，可把連續采集的數據轉換成2：1的隔行掃描格式的數據，以備RS-170監測器和采集卡處理。

□ 異步觸發和部分掃描

當CCD相機處於異步觸發方式時，相機並不是以固定時鐘連續掃描和輸出連續信號。而是在收到一個觸發信號後，再開始掃描輸出新的一幀信號。此功能適用於對生產線上快速運動目標的瞬間圖像采集。

部分掃描是指CCD相機所讀出的數據小於它的滿幀數據。由於讀取數據量相對較少，則相應的讀取時間要少，從而提高了幀速。此功能對於高速圖像采集系統非常重要。例如：一個物體只佔一幀圖像的上部的1/4，即連續掃描相機只用1/4幀時就能采集這部分圖像。采用部分掃描方式，相機在采集完上部的1/4幀圖像時，利用異步重置功能重新進行下一幀圖像的采集，並仍然只采集原圖像的1/4幀，以此反復。從而使相機的有效幀速率提高至原來的4倍。

■    接口

□    Analog

輸出模擬信號的攝像機仍然在廣泛使用。這個系統有很多優點，簡單可*，成本低，可以直接把視頻信號接到電視機上顯示，對大多數用途性能足夠好，型號眾多可供選擇等等。一般使用1／4、1門、或l／2英寸的彩色或黑白CCD芯片，大多采取PAL或NTSC制式，可輸出768×596或640×480像素的圖像，這兩種制式的速度分別是25幀／秒和30幀／秒，每幀圖像有兩個場組成，也就是所謂的隔行掃描，並沒有多少選擇，所使用的CCD芯片像素也是這個范圍，信噪比一般在48dB不到60dB之間，鏡頭接口多是c或CS格式。信號通常使用標准的75 Ω 視頻同軸線傳輸，BNC接頭。有逐行掃描的攝像機，但是必須要用相應的圖像卡支持才行。

對於機器視覺應用，選擇這種攝像機時應注意幾個問題：1)選擇各種參數可以手動設置的攝像頭，例如增益、快門速度等。2)選擇靈敏度高、信噪比大的攝像頭，一般說明書上會標記最低照度為0.1Lux等，越小越好。3)水平清晰度越大越好，例如600線的。4)CCD尺寸大時對後續的成象質量有利，但選擇時要考慮到鏡頭的性能。

使用輸出模擬信號的攝像頭時．可以選擇價格低廉的圖像卡，一般8bit的數字化率就足夠高了，可以提供256灰度級或24bit的彩色圖像，對大部分應用綽綽有余。圖像處理的速度從而變得很快，降低了後面計算機系統的速度要求。這個圖像卡的關鍵是圖像質量要高，因為視頻信號的電壓幅度是0—1V，如果圖像卡的輸入部分設計不好，會造成條紋、花彩等各種影響圖像質量的結果，對圖像的算法處理極為不利；圖像卡還要有方便使用的觸發輸入和控制輸出，通過傳感器發出的信號觸發圖像采集，從而控制圖像采集的時間和位置，圖像處理的結果(例如Pass或Fall)通過輸出接口給PLC或其他控制系統，控制機器的動作和運行邏輯，完成整個系統的自動化。輸出信號的格式最好是有多種可以選擇，因為計算機本身只能輸出5V或12V信號，而工業用的PLC和傳感器等多使用24V直流，圖像卡上有了相應的輸出，就不用外加轉換電路了。

當然，模擬信號的攝像機也有很多的缺點，最重要的就是分辨率不高、幀數不夠快以及噪音較大。盡管如此，由於其低廉的成本優勢和多品種可以選擇，目前市場佔有率最大。

□    RS422

RS422是數據信號傳輸的電氣規范。這一標准采用雙絞線，以不同的模式對同一信號進行傳輸，下圖為傳輸數據率與電纜長度的關系。當某一信號為高電平時，另一信號必須為低電平。在RS422規范中，高電平為3V，低電平為0V。為了降低噪聲，雙絞線必須適用於所有RS422信號。其電纜的阻抗為100Ω，並具有110Ω終端負載。在機器視覺系統中，所有輸入相機的RS422信號需具有110Ω終端負載。

□    Camera Link

Camera Link是適用於視覺應用數字相機與圖像采集卡間的通信接口。這一接口擴展了Channel Link技術，提供了視覺應用的詳細規范。   

Camera Link就是專為機器視覺的高端應用設計的，其基礎是美國National Semiconductor公司的驅動平板顯示器的Channel Link技術，在2000年由幾家專做圖像卡和攝像機的公司聯合發布，所以一開始就對接線、數據格式、觸發、相機控制、高分辨率和幀頻等作了考慮，結果是對於機器視覺的應用提供了很多方便，例如數據的傳輸率非常高，可達1GBits／s，輸出的是數字格式，可以提供高分辨率、高數字化率和各種幀頻，信噪比也改善了。而且根據應用的要求不同，提供了基本(Base)、中檔(Medium)、全部(Full)等支持格式，可以根據分辨率、速度等自由選擇。圖像卡和攝像機之間的通訊采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling)格式，速度快而且抗噪較好。圖像卡和攝像機之間使用專門的連接線距離最遠10米。一般提供的是標准的3米MDR26-pin接線。

如果你的應用要求高速度、高分辨率，而且你有足夠的資金，那麼考慮選Camera Link接口的攝像機和圖像卡，重要的是，目前你可以選擇的攝像機和圖像卡很多。Camera Link接口的缺點是其接口本身的機械尺寸太大(1．55×0．51英寸)，盡管半導體集成電路技術可以把成像系統做得很小，但這個接口決定了該類攝像機的尺寸不可能很小。另外，這個協議的傳輸距離較近，雖然可以使用光線把距離增加到數百米，但成本高昂。

如下圖所示：標准的Camera Link電纜提供相機控制信號線、串行通信信號線和視頻數據線。其中，相機控制信號線為4路LVDS，它們被定義為相機輸入和圖像采集卡輸出；串行通信線為2路LVDS，用於在相機與圖像采集卡間進行異步串行通信。

□    LVDS（EIA-644）

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低擺幅的差分信號技術，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以400Mbps的速率傳輸，其低電壓和低電流驅動輸出實現了低噪聲和低功耗。

LVDS接口是一種單工方式。必要時也可使用半雙工、多點配置方式，但一般在噪聲較小、距離較短的情況下才適用。其點到點連接的差分對由一個驅動器、互連器和接收器組成。低擺幅驅動信號實現了高速操作並減小了功率消耗，差分信號提供了適當噪聲邊緣和功率消耗大幅減少的低壓擺幅。功率的大幅降低允許在單個集成電路上集成多個接口驅動器和接收器。這提高了PCB板的效能，減少了成本。LVDS要求使用一個與媒質相匹配的終端電阻（100±20Ω），該電阻終止了環流信號，應該將它盡可能*近接收器輸入端放置。LVDS驅動器能以超過155.5Mbps的速度驅動雙絞線對，距離超過10ｍ，下圖為LVDS傳輸數據率與電纜長度的關系。

□    IEEE 1394

IEEE1394接口為Apple公司開發的串行接口標准，又稱Firewire接口。IEEE 1394接口能夠在計算機與外圍設備間提供100、200、400Mbps的傳輸速率。該接口不要求PC端作為所有接入外設的控制器，不同的外設可以直接在彼此之間傳遞信息。

利用IEEE 1394的拓撲結構，該接口不需要集線器就可連接63台設備，並且可由橋網將獨立的子網連接起來，該接口不需要強制用電腦控制這些設備。IEEE 1394b接口規范能夠實現800Mbps和1.6Gbps傳輸速度的高速通信方式，並可實現較長距離數據的傳輸。無線方式IEEE 1394超高速數據傳輸技術可以實現400Mbps的無線通信速度。傳送距離在無障礙時可達12m，傳送電波采用60GHz的微波。

□    Gigabit Ethernet

目前廣泛使用的網絡連接協議Elheranet，20多年前已經發布了，傳輸速度可以在10、100、1000Mbits標准選擇，而Gigabit Ethernet對於大多數機器視覺用途的帶寬要求綽綽有余，特別是用於機器視覺時，帶寬全部分配給了攝像機，沒有和其他設備共享。使用價格低廉的RJ45接口和網線，可以達到1 00米的傳輸距離。

考慮到機器視覺的要求，這個標准協議似乎滿足所有的方面，有足夠的速度和傳輸距離，有標准的硬件軟件支持。它使用的接線價格之低，其他標准難以望其項背。而且省去了一個專用的圖像卡。總的來講，使用成本可能是最低的。

隨著各攝像機生產廠家對此的支持，Gigabit Ethernet接口可以實現象USB和FireWire同樣的即插即用功能，而且可以實現數據的連續高速傳輸，不象USB和FireWire那樣犧牲了CPU處理圖像的速度。目前已經有一些廠家發布了支持這種接口的攝像機，往後的發展指值得關注。