工業(yè)相機(jī)的組成和原理 黑白相機(jī)成像原理

一．工業(yè)CCD的組成：

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。基于PC的視覺系統(tǒng)具體由如下圖所示的幾部分組成：

①工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機(jī)，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時(shí)獲取多相機(jī)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機(jī)可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號(hào)（Y/C）、RGB信號(hào)，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號(hào)、線掃描信號(hào)、高分辨率信號(hào)等。

②光源——作為輔助成像器件，對(duì)成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用（有資料認(rèn)為，光源對(duì)成像起到的作用能占到30%+），各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷既菀椎玫健?/p>

③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)（外部觸發(fā)），告知圖像傳感器進(jìn)行正確的采集。

④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機(jī)輸出的圖像輸送給電腦主機(jī)。它將來自相機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)它可以控制相機(jī)的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號(hào)，曝光/積分時(shí)間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對(duì)不同類型的相機(jī)，同時(shí)也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平臺(tái)——電腦是一個(gè)PC式視覺系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對(duì)于檢測(cè)類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時(shí)間。同時(shí)，為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁、振動(dòng)、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級(jí)的電腦。

⑥視覺處理軟件——機(jī)器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運(yùn)算得出結(jié)果，這個(gè)輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號(hào)、坐標(biāo)位置、字符串等。常見的機(jī)器視覺軟件以C/C++圖像庫(kù)，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測(cè)，BGA檢測(cè)，模版對(duì)準(zhǔn)等），也可以是通用目的的（包括定位、測(cè)量、條碼/字符識(shí)別、斑點(diǎn)檢測(cè)等）。

⑦控制單元（包含I/O、運(yùn)動(dòng)控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進(jìn)行通信以完成對(duì)生產(chǎn)過程的控制（輸出OK、NG信號(hào)）。簡(jiǎn)單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對(duì)復(fù)雜的邏輯/運(yùn)動(dòng)控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)必要的動(dòng)作。

工業(yè)相機(jī)原理簡(jiǎn)述

工業(yè)相機(jī)其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

1．相機(jī)的芯片類型：

一般情況下，工業(yè)相機(jī)按照論市場(chǎng)主流芯片類型可以分為CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)，當(dāng)然也有一些其他的芯片，比如富士公司生產(chǎn)的Super CCD芯片。數(shù)碼相機(jī)的CCD和CMOS都深藏于相機(jī)內(nèi)部，就算有機(jī)會(huì)看到它們的樣子，也很難進(jìn)行區(qū)分。

CCD芯片工作原理，如圖所示：

在感光像點(diǎn)接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在CCD傳感器中，每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到垂直寄存器，傳到水平寄存器中，最后才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了加上在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量電壓損耗，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；因信號(hào)只通過一個(gè)放大器進(jìn)行放大，所以產(chǎn)生的噪點(diǎn)較少。但由于CCD本身無法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此還需要一個(gè)專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。

CMOS工作原理，如圖所示：

對(duì)于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。換句話說，在CMOS傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交DSP芯片處理，問題恰恰是發(fā)生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于CCD傳感器，不過目前這方面的技術(shù)已大幅改善。

二. 黑白相機(jī)成像原理：

以CCD原理為例，CCD原理并不復(fù)雜。我們可以把它想象成一個(gè)頂部被打開的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據(jù)"光電效應(yīng)”，這些光束在記憶單元中產(chǎn)生負(fù)電荷（下圖中右上部分）

三. 彩色彩色成像原理：

CCD芯片將光子轉(zhuǎn)換為電子，在這一過程當(dāng)中，光子數(shù)目與電子數(shù)目互成比例。但光子還有另外一個(gè)特征值——波長(zhǎng)（波長(zhǎng)決定顏色），而這條信息卻沒有在這個(gè)過程中被轉(zhuǎn)換為電子。因此，從這個(gè)意義上說，CCD芯片都可以被稱為色盲。所以彩色相機(jī)的成像稍微復(fù)雜些，目前主要有兩種方式：三棱鏡方式和濾光片方式，下面分別介紹：

三棱鏡方式：

為了獲取光線的顏色信息，我們很容易想到用三棱鏡將光束分成單色光，然后分別成像，對(duì)，三棱鏡方式就是這個(gè)原理，如下圖：

它將從鏡頭射入的光分成三束，每束光都由不同的內(nèi)置光柵來過濾出某一種三原色，然后使用三塊CCD分別感光。這些圖象再合成出一個(gè)高分辨率、色彩精確的圖象。如300萬像素的相機(jī)就是由三塊300萬像素的CCD來感光。也就是可以做到同點(diǎn)合成，因此拍攝的照片清晰度相當(dāng)高。該方法的主要困難在于其中包含的數(shù)據(jù)太多。在你照下一張照片前，必須將存儲(chǔ)在相機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除并存盤。因此這類相機(jī)對(duì)其他部件的要求非常高，其價(jià)格自然也非常昂貴。

其他彩色原理省略。

相機(jī)常見參數(shù)介紹：

1. 分辨率（Resolution）：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)（Pixels），對(duì)于工業(yè)數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于工業(yè)數(shù)字模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit（2^8），對(duì)于工業(yè)數(shù)字?jǐn)?shù)字相機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。

3. 最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對(duì)于線陣相機(jī)機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Hz）。

4. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對(duì)于工業(yè)線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，工業(yè)數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。

5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。目前工業(yè)數(shù)字相機(jī)像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

6. 光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。

編輯：黃飛

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