機(jī)器視覺算法與應(yīng)用--攝像機(jī)資料

1、機(jī)器視覺算法與應(yīng)用 -攝像機(jī)制作人：康照川攝像機(jī)的簡介攝像機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件其功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號，并生成需要的圖像。攝像機(jī)又稱工業(yè)相機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力。攝像機(jī)中最重要的部件就是數(shù)字傳感器。攝像機(jī)的分類按照芯片結(jié)構(gòu)分類：CCD相機(jī)，CMOS相機(jī)。按照傳感器結(jié)構(gòu)分類：面陣相機(jī)，線陣相機(jī)。按照傳輸模式分類：模擬相機(jī)，數(shù)字相機(jī)。按照成像情況分類：彩色相機(jī)，黑白相機(jī)。攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)工業(yè)相機(jī) 相機(jī)簡單示意圖CCD傳感器CCD傳感器-電子耦合組件（charged coupled device）,是由光線敏感的光電探測器組

2、成。曝光時，光電探測器累積電荷通過轉(zhuǎn)移門電路，電荷被轉(zhuǎn)移至串行讀出寄存器從而讀出。讀出的過程是將電荷轉(zhuǎn)移至電荷轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換單元將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓放大。 電壓放大后就可以轉(zhuǎn)換為模擬或者數(shù)字視頻信號。 CCD傳感器你可以將CCD傳感器想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭的后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面時，CCD就會產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料存儲在相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡內(nèi)。CCD像素的數(shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。CCD傳感器的種類CCD傳感器分為線陣傳感器和面陣傳感器。面陣傳感器分為全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器、幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器

3、和隔列轉(zhuǎn)移型面陣傳感器。線陣傳感器線陣傳感器只能生成高度為1行的圖像，在實際中有限。因此常通過多行組成二維圖像。為了得到有效的圖像，線陣傳感器必須相對于被測物體做相對運(yùn)動。相機(jī)運(yùn)動被測物不動相機(jī)不動被測物動線陣相機(jī)注意的問題傳感器本身必須與被測物平面平行并與運(yùn)動方向垂直以保證得到矩形像素。線采集頻率必須與攝像機(jī)和被測物之間相對運(yùn)動速度相匹配以得到方形像素。如果運(yùn)動速度是變化的，就需要編碼器來觸發(fā)傳感器來采集每行圖像。相對運(yùn)動可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來產(chǎn)生。線傳感器的讀出速度在14-140kHz之間，會限值每一行的曝光時間，所以需要很強(qiáng)的照明。全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器在這里光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷，在未

4、曝光期間電荷按行的順序轉(zhuǎn)移到串行讀出電路寄存器，然后與線陣傳感器的方式一樣轉(zhuǎn)換為視頻信號。Output(Amplifier)Serial readout register全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器優(yōu)點：填充因子(像素光敏感區(qū)域與整個靶面之比)可以達(dá)到非常高，甚至達(dá)到100%。這樣傳感器靈敏度非常大，圖像失真最小。缺點：由于傳輸和讀出使用的時鐘相同，由于上面的像素要經(jīng)過下面的像素移出，因此傳感器上面的部分曝光時間比下面的長，這會造成拖影（Smear）現(xiàn)象。為了解決這個問題，必須使用機(jī)械快門或閃光燈。全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器 有拖影的圖片 無拖影的圖片幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器這個是為了解決全幀轉(zhuǎn)移型傳感器的拖影問

5、題，全幀轉(zhuǎn)移型傳感器加上另外的傳感器用于存儲，這個傳感器上有金屬光屏蔽層。這種類型的傳感器，圖像產(chǎn)生于光敏傳感器，然后轉(zhuǎn)移至有光屏蔽層的存儲陣列，在空閑時讀出。Light sensitiveCCD-sensorShieldedmemory areaReadout register.幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器 優(yōu)點：其填充因子可達(dá)100%，圖像失真化最小，而且不需要機(jī)械快門或閃光燈。在曝光時間較長的情況下，拖影現(xiàn)象比全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器小很多。 缺點：由于需要兩個傳感器，因此成本非常高 應(yīng)用：鑒于高靈敏度和拖影等特征上面兩種傳感器通常用于像天文等曝光時間比讀出時間長的科學(xué)研究領(lǐng)域。隔列轉(zhuǎn)移型面陣傳感器如

6、果所示，這種傳感器還有一個帶有不透明的金屬屏蔽層的垂直轉(zhuǎn)移寄存器，圖像曝光后，累積到電荷通過傳輸門電路轉(zhuǎn)移到垂直傳輸寄存器，電荷通過垂直傳輸寄存器移至串行讀出寄存器，經(jīng)過放大，最后形成視頻信號。隔列轉(zhuǎn)移型面陣傳感器 電荷轉(zhuǎn)移時間約為1us，因此完全不存在拖影（Smear）現(xiàn)象。優(yōu)點：由于轉(zhuǎn)移時間非常短，因此不需要使用機(jī)械快門或閃光燈缺點：由于屏蔽區(qū)占用了Sensor的部分面積，因此使得此種傳感器填充因子只能在20%70%，圖像失真會增加。隔列轉(zhuǎn)移型面陣傳感器為了增大填充因子，常利用在傳感器上加上微鏡頭來使光聚焦至光敏光電二極管。但是填充因子還是難以達(dá)到100%模擬CCD攝像機(jī)的讀出模式隔行掃描

7、逐行掃描CMOS傳感器CMOS傳感器與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序的轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，CMOS的每一行都可以通過行列選擇電路直接選擇并讀出。這方面CMOS傳感器可以當(dāng)作隨機(jī)存取存儲器。CMOS每個像素都有一個自己的獨(dú)立放大器。因此也稱作主動像素傳感器。CMOS傳感器優(yōu)點：具有單獨(dú)的選擇轉(zhuǎn)換電路，讀出速度快。CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其很容易實現(xiàn)圖像矩形感興趣區(qū)域的讀出?？梢詫崿F(xiàn)并行模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有較高的幀率。缺點： 因為放大器以及行列選擇電路占每個像素的大部分面積，導(dǎo)致其填充因子很低。 CMOS傳感器讀出方式行曝光全局曝光 上述兩個圖片都是對于運(yùn)動的物體。行曝光使物體發(fā)生形變

8、，全局曝光適用于拍攝運(yùn)動的物體CCD vs CMOS彩色攝像機(jī)黑白相機(jī)直接將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機(jī)能獲得景物中紅、藍(lán)、綠三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的圖像信息。目前彩色相機(jī)的實現(xiàn)方法主要有兩種，棱鏡分光法和 Bayer 濾波法。光譜響應(yīng)曲線由圖光譜響應(yīng)曲線可以看出，CCD和CMOS傳感器對于近紫外200nm到可見光380-780nm直到近紅外1100nm波長范圍都有響應(yīng)。所以無法產(chǎn)生彩色圖像。為了產(chǎn)生彩色圖像需要在傳感器前面加上彩色濾鏡陣列（CFA），使一定范圍的光達(dá)到每個光電探測器。棱鏡分光法棱鏡分光彩色相機(jī)，利用光學(xué)透鏡將入射

9、光學(xué)的 R、 G、 B 分量分離，在三片傳感器上分別將三種顏色的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，最后對輸出的數(shù)字信號進(jìn)行合成，得到彩色圖像。Bayer濾波法Bayer 濾波彩色相機(jī)，是在傳感器像元表面按照 Bayer 馬賽克規(guī)律增加 RGB 三色濾光片，輸出信號時，像素 RGB 分量值是由其對應(yīng)像元和其附近仙緣共同獲得的。由于人眼對綠色最為敏感，所以濾鏡陣列中綠色采樣頻率是其他的兩倍。Bayer濾波法相機(jī)的主要參數(shù)1 1.分辨率 分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù)，由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(shù)字表示，如：1920（ H） x 1080(V)，前

10、面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有 1920 個像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即 1080 行。現(xiàn)在相機(jī)的分辨率通常表示多少 K，如1K（ 1024）， 2K(2048), 3K(4096)等。在采集圖像時，相機(jī)的分辨率對圖像質(zhì)量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細(xì)節(jié)的展示越明顯。相機(jī)的主要參數(shù)2.速度（幀頻/行頻） 相機(jī)的幀頻/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常面陣相機(jī)用幀頻表示，單位 fps（ Frame Per second），如30fps,表示相機(jī)再 1 秒鐘內(nèi)最多能采集 30 幀圖像；線陣相機(jī)通常用行頻便是單位 KHz,如 12KHz 表示相機(jī) 1 秒鐘

11、內(nèi)最多能采集 12000 行圖像數(shù)據(jù)。速度是相機(jī)的重要參數(shù)，在實際應(yīng)用中很多時候需要對運(yùn)動物體成像。相機(jī)的速度需要滿足一定要求，才能清晰準(zhǔn)確的對物體成像。相機(jī)的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設(shè)計最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時鐘決定。相機(jī)的主要參數(shù)3.噪聲 相機(jī)的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標(biāo)外的信號。根據(jù)歐洲相機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288 中，定義的相機(jī)中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號帶的符合泊松分布的統(tǒng)計漲落噪聲，也叫散粒噪（ shotnoise） ,這種噪聲對任何相機(jī)都是相同的，不可避免，尤其確定的計算公式。（就是：噪聲的平方=信號的均

12、值）。第二類是相機(jī)自身固有的與信號無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機(jī)的固有噪聲都不一樣。另外，對數(shù)字相機(jī)來說，對視頻信號進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。相機(jī)的主要參數(shù)4.信噪比 相機(jī)的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。CCD 工業(yè)相機(jī)的信噪比的典型值一般為 45-55dB 。相機(jī)的主要參數(shù)5.動態(tài)范圍 相機(jī)的動態(tài)范圍表明相機(jī)探測光信號的范圍，動態(tài)范圍可用兩種方法來界定，一種是光學(xué)動態(tài)范圍，指飽和時最大光強(qiáng)與等價于噪聲輸出的光強(qiáng)的比值，由

13、芯片的特性決定。另一種是電子動態(tài)范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。對于固定相機(jī)其動態(tài)范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)去，相機(jī)的動態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動態(tài)范圍大，則相機(jī)對不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。等效噪聲信號光敏元的滿敏元的 動態(tài)范圍相機(jī)的主要參數(shù)6.像元深度 數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對于黑白相機(jī)這個值的方位通常是 8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對于 8bit 的相機(jī) 0 代表全暗而 255代表全亮。 介于 0 和 25 之間的數(shù)字代表一定的亮度指標(biāo)。 10bit

14、數(shù)據(jù)就有 1024 個灰階而 12bit 有 4096 個灰階。每一個應(yīng)用我們都要仔細(xì)考慮是否需要非常細(xì)膩的灰度等級。從 8bit 上升到 10bit 或者 12bit 的確可以增強(qiáng)測量的精度，但是也同時降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。相機(jī)的主要參數(shù)7.光譜響應(yīng) 光譜響應(yīng)是指相機(jī)對于不同波長光線的響應(yīng)能力，通常指其所采用芯片的光譜響應(yīng)。通常用光譜曲線表示， 橫軸表示不同波長， 縱軸表示量子效率。 按照響應(yīng)光譜不同也把相機(jī)分為可見光相機(jī) (400nm1000nm，峰值在500nm600nm 之間)，紅外相機(jī)（響應(yīng)波長在 700nm 以上），紫外相機(jī)（可以響應(yīng)到 200nm400nm的短波），我們需要根據(jù)接收被測物發(fā)光波長的不同來選擇不同的光譜響應(yīng)的相機(jī)。相機(jī)的主要參數(shù)8.光學(xué)接口 光學(xué)接口是指相機(jī)與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有 C 口， CS 口， F 口。下表提供了關(guān)于鏡頭安裝及后焦距的信息。其中 M42 鏡頭適配器源于高端攝像標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，相機(jī)的 Z 軸均依據(jù)所提供的適配器而進(jìn)行了優(yōu)化，一般情況下不要輕易拆卸鏡頭適配器。 在選擇鏡