數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)

1、數(shù)字相機(jī)還是模擬相機(jī)？對(duì)于一頂應(yīng)用，選擇什么樣的相機(jī)合適，取決于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)想要達(dá)到什么目標(biāo)。在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，使用數(shù)字相機(jī)還是模擬相機(jī)是最重要的決定之一。二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但歸根結(jié)底要根據(jù)成本和一些關(guān)鍵操作因素來(lái)選擇。如果考慮了這些因素，哪一項(xiàng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)就會(huì)明朗化了。機(jī)器視覺(jué)基礎(chǔ)機(jī)器視覺(jué)被應(yīng)用于自動(dòng)質(zhì)量檢驗(yàn)、工藝控制、參數(shù)測(cè)量和自動(dòng)組裝等等許多領(lǐng)域。在這些系統(tǒng)中，相機(jī)是決定著成本、速度和精度的關(guān)鍵組件。模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)都可以用在這些系統(tǒng)中，而了解相機(jī)的性能規(guī)格及其在各種視覺(jué)任務(wù)中的重要性，對(duì)于把機(jī)器視覺(jué)付諸工業(yè)控制是最基本的一步。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分：相機(jī)、采集卡和存儲(chǔ)并

2、分析圖像以提取信息的計(jì)算機(jī)（或圖像處理器）。圖像處理器和采集卡屬于相對(duì)容易選擇的電子裝置，它們的主要參數(shù)是存儲(chǔ)能力和處理速度。相機(jī)是這些系統(tǒng)中情況最為復(fù)雜的部分。現(xiàn)代的模擬和數(shù)字相機(jī)采用電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片來(lái)捕獲圖像并生成電子信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。CCD和CMOS成像器由一系列方形光電池組成，它們將收集到的光子轉(zhuǎn)化為電子，并將生成的電荷積蓄起來(lái)。在CCD中，當(dāng)從芯片中每次讀取一個(gè)像素時(shí),電荷被轉(zhuǎn)換成電壓;而在CMOS中，每個(gè)光敏器件旁邊的電路將光能轉(zhuǎn)化成電壓。二者在圖像質(zhì)量上沒(méi)有明顯的優(yōu)劣之分。基于CMOS的相機(jī)需要的部件較少，電耗較低，提供數(shù)據(jù)的速

3、度也比基于CCD的相機(jī)快；但CCD則是更為成熟的技術(shù)，能夠以較低的噪聲提供質(zhì)量更好的圖像，而弱點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，不太靈活，部件較多和電耗較高。信號(hào)精度CCD和CMOS芯片在內(nèi)部都生成模擬信號(hào)，因此，模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)之間的主要區(qū)別在于圖像是在哪里被數(shù)字化的。數(shù)字相機(jī)在相機(jī)里將信號(hào)數(shù)字化，并且通過(guò)串行總線接口（比如FireWire,USB,CameraLink,GigabitEthernet）將信號(hào)以數(shù)字方式傳輸給計(jì)算機(jī)（或圖像處理器）。而在另一方面，模擬相機(jī)系統(tǒng)并不是在其內(nèi)部將圖像信號(hào)數(shù)字化（數(shù)字化是由計(jì)算機(jī)完成的），所以，模擬信息是通過(guò)同軸電纜而進(jìn)行傳輸?shù)摹１M管兩種方法都能夠有效地傳輸信

4、號(hào)，但模擬信號(hào)可能會(huì)由于工廠內(nèi)其他設(shè)備（比如電動(dòng)機(jī)或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高，模擬相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍（原始信號(hào)與噪聲之比）會(huì)降低。動(dòng)態(tài)范圍決定了有多少信息能夠被從相機(jī)傳輸給計(jì)算機(jī)。數(shù)字信號(hào)不受電噪聲影響，因此，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍更高，能夠向計(jì)算機(jī)傳輸更精確的信號(hào)。數(shù)字相機(jī)的典型動(dòng)態(tài)范圍在55分貝到60分貝之間，而模擬相機(jī)則為45分貝到50分貝左右。所用電纜的長(zhǎng)度和類型也影響著信號(hào)的精度。模擬相機(jī)的電纜簡(jiǎn)單而且便宜，在電噪聲導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真之前能夠?qū)⑿盘?hào)可靠地300米以上。由于數(shù)字相機(jī)傳輸?shù)氖歉邘捫盘?hào)，電纜的長(zhǎng)度受電纜中信號(hào)良師衰減（損失）水平的限制。根大約10大約10米

5、到20米大約10米到20米大約10米FireWire：USB：CameraLink：現(xiàn)在，市場(chǎng)上有了采用千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電纜的新系統(tǒng)。這些電纜能夠?qū)?shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸100米左右而不發(fā)生損失。分辨率和捕獲速度分辨率是描述相機(jī)性能的重要參數(shù)之一，它包括兩個(gè)方面陣列中傳感單元或稱像素的數(shù)量每個(gè)傳感單元的大小模擬相機(jī)通常是基于視頻圖形陣列（VGA）成像格式，分辨率被限制在大約640 x480像素。這只是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要求的下限。而在另一方面，數(shù)字相機(jī)能夠達(dá)到80兆像素甚至更高。模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)典型的像素大小在3微米到20微米范圍內(nèi)。第二個(gè)重要參數(shù)是幀速，或者說(shuō)相機(jī)連續(xù)提供圖像的速度。幀速越高，在給定時(shí)

6、間內(nèi)能夠完成的檢驗(yàn)、測(cè)量或識(shí)別工作就越多。像素?cái)?shù)和幀速之間存在著相互影響，所以，相機(jī)的像素?cái)?shù)越多，其幀速越低。但是，這并非是一成不變的規(guī)則，因?yàn)槌叽缭叫〉陌雽?dǎo)體轉(zhuǎn)換速度通常就越快，所以像素?cái)?shù)相同的兩臺(tái)相機(jī)可能具有差別很大的幀速。640 x480像素模擬相機(jī)的典型幀速為每秒30幀，而分辨率為2兆像素（1600 x1200像素）的數(shù)字相機(jī)能夠達(dá)到相同的幀速。16兆像素的數(shù)字相機(jī)幀速約為每秒3幀。另外，相機(jī)傳感器可采用多端口設(shè)計(jì)，將圖像分解成片段以同時(shí)讀出。還可以在軟件的控制下只讀取圖像中“感興趣”的部位而不是讀取全部傳感器陣列，同樣能夠縮短傳輸時(shí)間。其他因素除了分辨率和幀速，其他重要的設(shè)計(jì)因素還包

7、括動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。動(dòng)態(tài)范圍或圖像每個(gè)像素的字節(jié)數(shù)決定著采集卡需要的存儲(chǔ)容量以及圖像處理器需要的算法精度。它也影響著傳感器的曝光寬容度。每像素只有幾個(gè)字節(jié)的相機(jī)將無(wú)法像字節(jié)數(shù)更高的相機(jī)那樣滿足很寬的照明條件范圍。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)更好一些，因?yàn)樗鼈兊目乖肼曅阅芨?。傳感器靈敏度也決定著可靠地使用相機(jī)所需要的照明條件。在光線不好或者為防止運(yùn)動(dòng)圖像模糊而提高快門(mén)速度的情況下，要求相機(jī)具有更高的靈敏度。同波長(zhǎng)有關(guān)的相機(jī)靈敏度也許非常重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要采用發(fā)光二極管甚至紅外或紫外照明，相機(jī)的波長(zhǎng)靈敏度也應(yīng)當(dāng)匹配。最后，相機(jī)生成彩色或者單色圖像的能力也十分重要。關(guān)于總成本的考慮

8、各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)共同影響著相機(jī)的成本。典型情況下，由于傳感器尺寸的原因，像素?cái)?shù)越高的相機(jī)就越昂貴。與此類似，在一定的分辨率下，幀速提高，成本也趨向于增加。同時(shí)提高幀速和分辨率通常要求相機(jī)具有多端口讀出，這使系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，因而提高了成本。從上世紀(jì)七十年代起，許多供應(yīng)商都開(kāi)始提供基于CCD和CMOS技術(shù)的模擬相機(jī)。典型的價(jià)位在200美元左右。模擬相機(jī)采集卡的價(jià)位也在200美元左右。相比之下，數(shù)字相機(jī)的價(jià)位在1,000美元到20,000美元范圍內(nèi)大幅度變化，數(shù)字相機(jī)采集卡的價(jià)位在1,000美元到2,000美元之間。但是，隨著數(shù)字相機(jī)和采集卡變得越來(lái)越普及，它們的價(jià)位也在逐漸降低。在對(duì)成本進(jìn)行比較時(shí)

9、，設(shè)備的價(jià)格還只是問(wèn)題的一個(gè)方面。設(shè)計(jì)人員還必須考慮軟件、硬件、安裝、維護(hù)和升級(jí)等方面的成本，還有，給定的相機(jī)技術(shù)是否能夠達(dá)到要求的性能。完成特定任務(wù)所需要的相機(jī)數(shù)量在安裝成本中占到了一定比例。舉例來(lái)說(shuō)，從1毫米見(jiàn)方的檢驗(yàn)區(qū)域中解析出1微米見(jiàn)方的片段，可能需要用到5臺(tái)模擬相機(jī)和采集卡，而這些制備必須保持同步以獲得清晰的圖像。只使用1臺(tái)百萬(wàn)像素的數(shù)字相機(jī)和采集卡就可以解析同樣大小的區(qū)域，而且無(wú)需在計(jì)算機(jī)中同步處理多幅圖像。例如，一家汽車(chē)制造商的保險(xiǎn)杠檢驗(yàn)系統(tǒng)需要12臺(tái)模擬相機(jī)、12片采集卡12套軟件和3臺(tái)計(jì)算機(jī)。公司發(fā)現(xiàn)，就算可能，使所有相機(jī)的圖像同步化以獲得一幅保險(xiǎn)杠的可靠圖像也是難度相當(dāng)大的

10、。用1臺(tái)百萬(wàn)像素的數(shù)字相機(jī)、1片采集卡和1臺(tái)計(jì)算機(jī)取代了這個(gè)相機(jī)陣列后，系統(tǒng)的安裝和維護(hù)都變得十分簡(jiǎn)單和方便。一般來(lái)說(shuō)，典型的數(shù)字相機(jī)需要更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行安裝和設(shè)定，但對(duì)于前述應(yīng)用實(shí)例而言，需要的數(shù)字相機(jī)數(shù)量大為減少。因此，維護(hù)成本也將大幅度降低。另外，數(shù)字相機(jī)的功能性和靈活性都更強(qiáng)，能夠快速重新編程，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)。而相比之下，模擬相機(jī)則必須被送回制造廠才能進(jìn)行性能升級(jí)。最后一項(xiàng)成本因素是功率消耗。典型的模擬相機(jī)需要5瓦到10瓦操作功率，而分辨率指標(biāo)相當(dāng)?shù)臄?shù)字相機(jī)則不到1瓦。應(yīng)用要求對(duì)于一項(xiàng)應(yīng)用，選擇什么樣的相機(jī)合適，取決于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)想要達(dá)到什么目標(biāo)。視覺(jué)檢驗(yàn)、非接觸式測(cè)量、物體識(shí)別和定位是三個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用，每一個(gè)都有不同的要求。典型的檢驗(yàn)系統(tǒng)將圖像同模板或者“已知合格品”圖像進(jìn)行對(duì)比以檢查偏差。高質(zhì)量的圖像一般需要用圖像處理器來(lái)進(jìn)行可靠的對(duì)比。這意味著，相機(jī)必須同時(shí)具有高分辨率和每像素足夠的字節(jié)數(shù)。可能也需要彩色成像能力。非接觸式測(cè)量計(jì)算一個(gè)物體占據(jù)的像素?cái)?shù)量，并將計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)化成尺寸數(shù)值。這樣的系統(tǒng)可能需要高分辨率，而每像素的字節(jié)數(shù)要求可能不必太高。圖像處理器通常只提取圖像的邊緣或外形輪廓信息，所以，一般并沒(méi)有很高的動(dòng)態(tài)范圍和彩色能力要求。物體識(shí)別和定位有各種各樣的要求。在許多情況下，圖像處理系統(tǒng)在圖像中搜