數(shù)字?jǐn)z像機(jī)常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)和參數(shù)介紹

1、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)和參數(shù)介紹傳感器傳感器是攝像機(jī)的核心部件，目前攝像機(jī)常用的感光芯片有CCD和CMOS兩類(lèi)。1 . CCD （電荷耦合器件）目前常用CCD的有三種結(jié)構(gòu)，全幀轉(zhuǎn)移、幀傳輸和行轉(zhuǎn)移。« 行轉(zhuǎn)移（Interline Transfer ）在三種結(jié)構(gòu)中，行轉(zhuǎn)移是最常使用的一種，多數(shù)中、低端產(chǎn)品都使用這種方式。« 全幀轉(zhuǎn)移（Full frame ）全幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)在一起，可獲得100%的fill factor。缺點(diǎn)是為避免圖像漏光，在讀出時(shí)要阻止外界光線進(jìn)入。 這可以通過(guò)使用機(jī)械快門(mén)、 使用頻閃燈的方法實(shí)現(xiàn)， 或者使曝光時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀出時(shí)間，以盡量減少

2、漏光。* 幀傳輸（Frame transfer ）幀傳輸結(jié)構(gòu)是感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)完全分開(kāi)，且大小相等。曝光后的信號(hào)電荷以非?？斓乃俣龋ㄍǔＰ∮趲芷诘?1 %）轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)，然后逐行輸出。很明顯，幀傳輸傳感器可獲得 100 % 的fill factor，而且在讀出過(guò)程中，可對(duì)下一幀曝光。缺點(diǎn)是芯片尺寸大，成本高。2 . CMOS （互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器CMOS傳感器和CCD傳感器在感光部分原理是相同的，不同的是在每個(gè)像素單元中，除 感光部分外，還有放大器和讀出電路部分，整個(gè)CMOS傳感器還集成了尋址電路、放大器和A/D。3 . CCD和CMOS的主要性能比較*滿阱容量差異：由于 CMOS傳

3、感器的每個(gè)像素包括一個(gè)感光二極管、放大器和讀出電 路，同時(shí)整個(gè)傳感器還包括尋址電路和A/D,使得每個(gè)像素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于像素本身的表面積，因此在像素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的滿阱能力要低于 CCD傳感器。*成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、時(shí)序、或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外 圍芯片的成本。* CMOS傳感器可以隨機(jī)尋址，能夠非常方便地僅將隊(duì)列中感興趣地部分讀出，提高幀 率。*噪聲差異：由于 CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模 擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一

4、致，因此與只有一個(gè)放大器在水平寄存器輸出端的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。*功耗差異：CMOS傳感器的功耗低于 CCD傳感器。線陣攝像機(jī)和面陣攝像機(jī)上面介紹的都是面陣傳感器，構(gòu)成的攝像機(jī)稱(chēng)作面陣攝像機(jī)。感光單元（像素）按二維 陣列排列，陣列中的每個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，被拍攝的目標(biāo)的一個(gè)面被成像，目標(biāo)與攝像 機(jī)之間可以是靜止的，也可以是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。還有一類(lèi)傳感器，感光單元排列是一維的，每次曝光僅是目標(biāo)上的一條線被成像，形成一 行圖像，隨著目標(biāo)物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)連續(xù)曝光，最后形成一幅二維圖像。 這樣的攝像機(jī)叫做線陣攝像機(jī)。當(dāng)然為保證采集的圖像不

5、變形，目標(biāo)相對(duì)與攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)保 持在一個(gè)方向。線陣攝像機(jī)每一行掃描的像素?cái)?shù)可以從512-12000，每行的曝光也可以與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，因此也適用于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度變化的場(chǎng)合。線陣攝像機(jī)適合于目標(biāo)物體幅面大，或缺陷尺寸微小的場(chǎng)合，如：印刷質(zhì)量檢測(cè)，PCB板檢測(cè)，布匹或棉花的檢測(cè)，顆粒（糧食、水果等）檢測(cè)等。彩色攝像機(jī)1 彩色面陣攝像機(jī)構(gòu)成彩色面陣攝像機(jī)的傳感器有二種形式：?jiǎn)纹噬珨z像機(jī)，這種攝像機(jī)的傳感器只有一片。傳感器上每個(gè)像素點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)R、G、B三種顏色中的一種，R、G、B三種像元按一定的規(guī)律排列（如下圖所示），我們實(shí) 際所得到的每個(gè)像素點(diǎn)的 R、G、B三原色的數(shù)值是根據(jù)該像素點(diǎn)及其周?chē)?/p>

6、干點(diǎn)的像 素值進(jìn)行插值計(jì)算而來(lái)的， 彩色圖像效果與采用的差值算法密切相關(guān)，在顏色變化劇烈的邊緣位置會(huì)有較明顯的色彩失真和細(xì)節(jié)的丟失。目前我們常見(jiàn)的彩色攝像機(jī)一般是這種形式的，其價(jià)格和同檔次的黑白攝像機(jī)相近。* 3CCD彩色面陣攝像機(jī)，這種攝像機(jī)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)有R、G、B三個(gè)感光元件，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值（見(jiàn)下圖）。這種攝像機(jī)得到的圖像質(zhì)量好，沒(méi)有細(xì)節(jié)丟失的問(wèn)題，但由于 攝像機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機(jī)采用了分光棱鏡的方式，光線到達(dá)每個(gè)CCD靶面的光程是不一樣的，所以需要鏡頭做針對(duì)性的設(shè)計(jì)才能達(dá)到比較好 的圖

7、像效果，所以使用 3CCD的攝像機(jī)還需要配備專(zhuān)用的鏡頭。2 彩色線陣攝像機(jī)同樣，構(gòu)成彩色線陣攝像機(jī)的傳感器也有二種形式。* 3 Line彩色攝像機(jī)，傳感器的具有 R、G、B三行像元，分別對(duì)紅、綠、蘭三種波長(zhǎng)的 光敏感應(yīng)，所以每個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng) R、G、B三個(gè)通道的數(shù)值，形成彩色的圖像數(shù)據(jù)。 需要注意的是，由于 R、G、B三行像元在同一時(shí)刻所采集的并非同一位置的信息（見(jiàn)圖），在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行空間校正才能得到所需的彩色圖像。一般的攝像機(jī)都提供內(nèi)部進(jìn)行空間校正處理的功能，要取得質(zhì)量良好的圖像， 這類(lèi)攝像機(jī)對(duì)自身安裝精度和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性都有一定的要求。 3CCD彩色線陣攝像機(jī)，與面陣的 3CCD

8、攝像機(jī)原理相同，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè) CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值。圖像質(zhì)量好，但需配備專(zhuān)用鏡頭。傳感器分辨率和尺寸傳感器尺寸通常以有效面積（寬度X高度）或?qū)蔷€尺寸（英寸）表示；分辨率通常以水平 方向和垂直方向的像素?cái)?shù)或套用計(jì)算機(jī)顯示使用的方法表示。對(duì)角線1”2/3 ”1/1.8 ”1/2 ”1/2.7 ”1/3 ”1/4 ”有效面積12.8 X9.68.8 X6.67.18 X5.326.4 X4.85.27 X3.964.8 X3.63.6 X2.7分辨率659 X494782 X5821034 X 7791392 X10401628 X 123

9、6VGASVGAXGASXGAUXGA在實(shí)際應(yīng)用中，攝像機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率與傳感器的分辨率不同。攝像機(jī)的分辨率除傳 感器的分辨率因素外，還取決于鏡頭、傳感器的像素尺寸和模擬電路。分辨率通常以每毫米多 少線對(duì)表示（lp/mm ）。如果傳感器像素尺寸為p,理論上最大空間分辨率為1/（ 2 p）lp/mm。而檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率還與光源及其它一些因素有關(guān)。 在使用中，要注意傳感器尺寸和鏡頭尺寸相配合。像素尺寸像素尺寸就是每個(gè)像素的面積。很顯然，單個(gè)像素面積小，單位面積內(nèi)的像素?cái)?shù)量多，攝像機(jī)的分辨率增加，利于對(duì)細(xì)小 缺陷的檢測(cè)和增大檢測(cè)視場(chǎng)。但隨著像素面積的縮小，滿阱能力（每個(gè)像素能夠儲(chǔ)存的電荷數(shù) 量）

10、也隨之減小，造成攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的降低。因此，在分辨率允許的情況下，選擇像素尺寸 大的相機(jī)，會(huì)有較大的動(dòng)態(tài)范圍；增大的像素尺寸，同時(shí)還會(huì)提高攝像機(jī)的感光度（感光度是 指多暗的情況下，攝像機(jī)能夠工作）。當(dāng)然，在更多電荷被積累和存儲(chǔ)的同時(shí)，伴隨其產(chǎn)生的 各類(lèi)噪聲也會(huì)加大。掃描方式掃描方式是指CCD或CMOS中像素的輸出方式。隔行掃描是將一幅圖像分成二場(chǎng)，奇數(shù)行組成一場(chǎng)，偶數(shù)行組成一場(chǎng)，二場(chǎng)按規(guī)定先后順 序輸出。大多數(shù) CCTV攝像機(jī)采用隔行掃描的方式。逐行掃描是將一幅圖像的所有行，從第一行到最后一行按順序逐行輸出。機(jī)器視覺(jué)中使用 的攝像機(jī)多采用逐行掃描。在拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體的場(chǎng)合，要選用逐行掃描攝像機(jī)

11、或使用隔行掃描攝像機(jī)的場(chǎng)采集方式 采集圖像。像素時(shí)鐘、最大行頻和最大幀率*像素時(shí)鐘像素時(shí)鐘是CCD中像素輸出的節(jié)拍。在給定傳感器分辨率的條件下，像素時(shí)鐘越高，最 大的行頻或幀率越高。當(dāng)然在增加像素時(shí)鐘的同時(shí)，傳感器的讀出噪聲也會(huì)增大，影響攝像機(jī) 在低照度環(huán)境下的性能。對(duì)于高速、大數(shù)據(jù)量輸出的CCD傳感器，傳感器陣列構(gòu)造多個(gè)輸出端口（ Tap ），每個(gè)端口輸出全部像素的一部分，從而降低像素時(shí)鐘，減少讀出噪聲。* 最大行頻指線陣攝像機(jī)每秒鐘能夠輸出的最大行數(shù)。* 最大幀率指面陣攝像機(jī)每秒鐘能夠采集并輸出的最大幀數(shù)。限制最大幀率的因素有：曝光時(shí)間、數(shù) 據(jù)讀出時(shí)間（圖像數(shù)據(jù)從傳感器傳送到攝像機(jī)內(nèi)部FI

12、FO或存儲(chǔ)器的時(shí)間）、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間（圖像數(shù)據(jù)從攝像機(jī)內(nèi)部 FIFO或存儲(chǔ)器到PC的時(shí)間）、像素深度和信號(hào)輸出格式。手冊(cè)上通常列出的是在最大分辨率下的幀率。如果采用部分掃描或binning技術(shù)，會(huì)提高攝像機(jī)的輸出幀率。當(dāng)然，前者縮小了采集視場(chǎng)，后者降低了分辨率。像素深度像素深度是指每個(gè)像素用多少比特位表示。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素的比特位數(shù)多，表達(dá)圖像 細(xì)節(jié)的能力強(qiáng)。信噪比和動(dòng)態(tài)范圍信噪比是指測(cè)量到的信號(hào)與測(cè)量到的總噪聲之比。動(dòng)態(tài)范圍用來(lái)描述每個(gè)像素能夠分辨出的灰度等級(jí)。它是飽和電壓（最大的輸出電平）攝 像機(jī)輸出的噪聲之比。寬動(dòng)態(tài)范圍能夠使場(chǎng)景中非常亮和非常昏暗部分的細(xì)節(jié)同時(shí)被清晰的顯 示，如人背向站

13、在非常亮的光線下，背景的細(xì)節(jié)和人臉上的細(xì)節(jié)都能夠看的非常清晰。感光度、光譜曲線攝像機(jī)的感光度（響應(yīng)度）定義攝像機(jī)在固定曝光量下的靈敏性特性，它與照射的光波的 波長(zhǎng)有關(guān)。感光度的單位是DN/ （nJ/cm2 ），表示在已知曝光1nJ/cm2條件下，攝像機(jī)輸出的像素灰度值。必須要注意的是測(cè)量時(shí)對(duì)增益的設(shè)置說(shuō)明。攝像機(jī)在高增益下可以得到高的響應(yīng) 度，但噪聲同時(shí)增加會(huì)減少動(dòng)態(tài)范圍。許多攝像機(jī)廠商并不給出不同波長(zhǎng)下的傳感器或攝像機(jī)的輸出值，而僅給出相對(duì)值，反映 不同波長(zhǎng)下的靈敏特性。每個(gè)像素收集的光電子數(shù)量與入射光強(qiáng)度、曝光時(shí)間成線性關(guān)系，與光波長(zhǎng)呈非線性關(guān)系。圖像采集方式圖像采集方式主要是指（1）什么

14、時(shí)候開(kāi)始采集？（2）曝光的長(zhǎng)度？ （3）如何結(jié)束采集？開(kāi)始采集通常有軟件采集和外部硬件信號(hào)觸發(fā)采集二種。軟件采集是計(jì)算機(jī)向攝像機(jī)發(fā)出 開(kāi)始采集命令，可以是單幀采集或多幀連續(xù)采集；外觸發(fā)采集是通過(guò)外部觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)采集， 信號(hào)可以是上升沿或下降沿觸發(fā)或電平觸發(fā)。曝光時(shí)間，軟件命令采集是通過(guò)對(duì)寄存器編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的曝光；外觸發(fā)采集的沿 觸發(fā)方式也是通過(guò)寄存器編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)，電平觸發(fā)則是用觸發(fā)的電平的持續(xù)時(shí)間控制的。采集結(jié)束控制主要針對(duì)軟件采集，單幀采集結(jié)束后自動(dòng)清除采集命令，連續(xù)采集要由計(jì)算 機(jī)發(fā)出命令清除設(shè)置的采集命令。曝光（快門(mén)）快門(mén)就是控制曝光時(shí)間。傳統(tǒng)的照相機(jī)是通過(guò)機(jī)械快門(mén)對(duì)照射在底片上

15、的光進(jìn)行遮光動(dòng)作 實(shí)現(xiàn)曝光控制。在 CCD或CMOS攝像機(jī)中是利用電子快門(mén)實(shí)現(xiàn)曝光控制。照射在傳感器上的 光不斷發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，電子快門(mén)的原理是只儲(chǔ)存一定曝光時(shí)間的信號(hào)電荷，然后進(jìn)行輸出。常用的電子快門(mén)有二種工作方式：global shutter （幀曝光），rolling shutter （逐行曝光）。Global shutter 是傳感器陣列中所有像素同時(shí)曝光，曝光周期由預(yù)先設(shè)定的快門(mén)時(shí)間確定。一 些CMOS傳感器使用rolling shutter，傳感器上的所有像素不是同時(shí)曝光，而是同一行上的像 素同時(shí)曝光，不同行的曝光起始時(shí)間是不同的。圖像上的第一行最先曝光，最先結(jié)束，后面的 行開(kāi)始和結(jié)

16、束曝光均比前一行略有延遲，相互有交迭，每一行的曝光時(shí)間是相同的，行間的延 遲是不變的。由于在Rolling shutter方式下，整個(gè)圖像曝光需要一定的時(shí)間，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體，會(huì) 造成圖像模糊、變形。如下圖，拍攝高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，左圖是使用global shutter，右圖是使用rolling shutter 。數(shù)據(jù)輸出方式數(shù)字?jǐn)z像機(jī)常用的輸出方式有USB、1394a、1394b、Camera Link 和GigE。Bi nningBinning是感光后的像素在傳感器中進(jìn)行合并后再輸出。像素的合并可以是行之間，也可以是列之間，因此有垂直binning和水平binning。垂直binning是把

17、相鄰的兩行移到水平移位寄存器中，然后一同移位輸出；水平 binning是把水平移位寄存器中的相鄰像素移到放大器中， 在相鄰像素間不復(fù)位。顯而易見(jiàn)，相鄰像素 binning，信號(hào)電荷增加一倍，攝像機(jī)對(duì)光的靈敏度增加6dB，信噪比提高3dB。當(dāng)然，binning后的圖像空間分辨率降低了。Bloomi ngBlooming是指被拍攝的場(chǎng)景中有非常亮的部分，在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 傳感器上對(duì)應(yīng)非常亮的部分的像素電荷超出了滿阱能力，溢出到周?chē)噜徬袼?，?huà)面上產(chǎn)生白斑。Smear （漏光）Smear現(xiàn)象是指當(dāng)拍攝對(duì)像中含有高亮度的光線或太陽(yáng)光時(shí)，高亮度部分上下方可看見(jiàn)很 亮的垂直白線或白帶。不同的CCD結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生smear