機器視覺硬件選型基礎(chǔ)

機器視覺硬件選型基礎(chǔ)

目錄

1機器視覺基礎(chǔ)知識

1.1機器視覺概述

1.2相機(camera)

1.3鏡頭(lens)

1.4圖像采集卡(framegrabber)

1.5光源(illumination)

1.6視覺開發(fā)軟件(visionSDK)

1.7智能相機(smartcamera)

2典型案例

3.1定位&引導(Locate&Guide)

3.2幾何尺寸測量(Gauging)

3.3缺陷檢測(FlawInspection)

3.4光學字符檢測/識別(OCV/OCR)

1機器視覺基礎(chǔ)知識

1.1機器視覺的概念

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)

品將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、

顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征,

進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信

息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛

地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性

和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場

合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)

品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化

程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

半導體行業(yè)是最先利用機器視覺技術(shù)進行檢測的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來。作為

生產(chǎn)機械的OEM的設(shè)計工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測這個部件還是整個這

個產(chǎn)品”。檢測可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會有這樣的事實存在：檢測成本或者產(chǎn)

品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測。比如說牙簽，假設(shè)在一個裝有500個牙簽的盒子里有

一兩個不合格，大多數(shù)人都不會怎么擔心。但是對于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的

不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會帶來什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測

都是不可缺少的，即使只是外觀檢測，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無缺陷。因此，

為了達到這個目的，許多OEM將機器視覺應(yīng)用到他們將要賣給用戶的系統(tǒng)中。機器視

覺能夠為整個系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過程的精確性，減

少成本。

那么，對于一個設(shè)計工程師來說，怎么樣才能知道機器視覺是否適合他的系統(tǒng)呢？

盡管最早的最基本的機器視覺系統(tǒng)在20世紀70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應(yīng)用。

這就導致設(shè)計工程師要考慮它是否合適他們的應(yīng)用，同時要考慮利用機器視覺檢測的成

本與其所能帶來的利潤。

高復雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說半導體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復雜性和小型化，

從傳統(tǒng)上推動著機器視覺市場的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動化、制藥、造紙

等等都依靠機器視覺系統(tǒng)檢測產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專家們預言：在未來的20年

到50年，機器視覺將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會由機

器視覺系統(tǒng)來檢測。

使用機器視覺系統(tǒng)有以下五個主要原因：

精確性一由于人眼有物理條件的限制，在精確性上機器有明顯的優(yōu)點。即使人眼依靠

放大鏡或顯微鏡來檢測產(chǎn)品，機器仍然會更加精確，因為它的精度能夠達到千分之一英

寸。

重復性一機器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會感到疲倦。與此相

反，人眼每次檢測產(chǎn)品時都會有細微的不同，即使產(chǎn)品時完全相同的。

速度——機器能夠更快的檢測產(chǎn)品。特別是當檢測高速運動的物體時，比如說生產(chǎn)線

上，機器能夠提高生產(chǎn)效率。

客觀性一人眼檢測還有一個致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結(jié)果會隨工人

心情的好壞產(chǎn)生變化，而機器沒有喜怒哀樂，檢測的結(jié)果自然非?？捎^可靠。

成本——由于機器比人快，一臺自動檢測機器能夠承擔好幾個人的任務(wù)。而且機器不

需要停頓、不會生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。

一旦工程師決定使用機器視覺系統(tǒng)，就需要建立這個系統(tǒng)。其中要素包括：照明光

源、工件放置（夾具）、相機、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟

件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個領(lǐng)域都沒有經(jīng)驗，機會來了。所以，尋找一個既

了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應(yīng)商就成為關(guān)鍵問題。

典型的基于PC的視覺系統(tǒng)通常由如圖111所示的幾部分組成：/參考文獻：HowTo

PlanYourPC-BasedMachineVisionSystem]

圖1.1.1基于PC的視覺系統(tǒng)基本組成

①相機與鏡頭——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，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步

控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻

（RS-170/CCIR）、復合信號（丫/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線

掃描信號、高分辨率信號等。

②光源——作為輔助成像器件，對成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各

種形狀的LED燈.、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。

③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測對象的位置

和狀態(tài)，告知圖像傳感器進行正確的采集。

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

相機輸出的圖像輸送給電腦主機。它將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖

像數(shù)據(jù)流，同時它可以控制相機的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號，曝光/積分時間，快門速度

等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對不同類型的相機，同時也有不同的總線形

式，比如PCI、PCI64、CompactPCI,PC104,ISA等。

⑤PC平臺一電腦是一個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，對于檢測類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU,這樣可以

減少處理的時間。同時，為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，必須選

擇工業(yè)級的電腦。

⑥視覺處理軟件——機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

的運算得出結(jié)果，這個輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號、坐標位置、字符串等。常

見的機器視覺軟件以C/C++圖像庫，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，BGA檢測，模版對準等），也可以是通用目

的的（包括定位、測量、條碼/字符識別、斑點檢測等）。

⑦控制單元（包含I/O、運動控制、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行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制。

簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O,相對復雜的邏輯/運動控制則必須

依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。

上述的7個部分是一個基于PC式的視覺系統(tǒng)的基本組成，在實際的應(yīng)用中針對不

同的場合可能會有不同的增加或裁減。在本章余下的小結(jié)則將針對視覺領(lǐng)域的核心部件

進行詳細的介紹。

1.2相機(Camera)

這里所說的相機主要指工業(yè)相機/攝像機，相比與民用的相機/攝像機它有高的圖像穩(wěn)

定性、圖像質(zhì)量、傳輸能力和抗干擾能力等，因而價格也相比民用相機貴。以前的相機

多是基于是顯像管的。如今,隨著固體成像器件的發(fā)展,市面上大多是基于CCD(Charge

CoupledDevice)或CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)芯片的相

機。CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)

移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，

而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而

后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序

及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器

件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。CMOS圖像傳

感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)

制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元

陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成

在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其

良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣

泛的應(yīng)用。

相機按照芯片類型、傳感器結(jié)構(gòu)特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號方式、輸

出色彩、輸出信號速度、響應(yīng)頻率范圍等有著不同的分類方法：按照芯片類型可以分為

CCD相機、CMOS相機；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照

掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率

相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機；按照輸出色彩

可以分為單色(黑白)相機、彩色相機；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高

速相機；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光(普通)相機、紅外相機、紫外相機。

在下面的章節(jié)中，將以目前應(yīng)用較普遍的CCD相機為主來介紹工業(yè)相機。用于數(shù)

字圖像處理的CCD相機一般由兩部分組成：圖像獲取單元和圖像輸出單元。

圖像獲取

與顯像管比較，CCD芯片由獨立的光敏元件構(gòu)成，每一個光敏元件表示一個像素，

因此能夠傳輸二維的離散圖像。而且體積、重量都比較小，具有高動態(tài)、高線性，對機

械、磁場、光影響不敏感。并且由于市場的大量生產(chǎn)，CCD相機也相對便宜一些。CCD

的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。

圖1.2.1為CCD實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的示意圖,可以形象地喻為往井或桶內(nèi)注水，因而半

導體物理中用“勢阱”的概念描述用來收集光激發(fā)電荷的積分區(qū)域，其中單個像素所能存

儲的最大光電荷量（不向其鄰近像素溢出），也稱為“滿阱容量，CCD的光敏單元收集

光子與產(chǎn)生的電子數(shù)目有良好的線性關(guān)系，通常來說，2個光子產(chǎn)生一個電子，在輸出

單元50000個電子產(chǎn)生一個1伏的視頻信號，增益為1：1。由于熱效應(yīng)產(chǎn)生附加的光

子，即暗電流，就會產(chǎn)生不期望的噪聲。因此采用CCD芯片這種非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)不用照明，

普通的CCD即使在室溫的條件下一分鐘內(nèi)就可完全充滿電子，而且大約溫度每增加7

攝氏度，暗電流就會加倍，這就是說芯片的溫度升高，噪聲就會急劇增加。因此，為了控

制暗電流，控制一個比較短的曝光時間非常重要。

圖1.2.1CCD光電轉(zhuǎn)化示意圖

傳統(tǒng)控制曝光時間的方法是利用機械快門，而如今CCD芯片多采用電子曝光控制,

即電子快門。在手工操作模式，用戶通?？梢赃x擇比如1/50、1/100、1/500秒的一些

離散的快門速度（積分時間）；而在自動電子快門模式快門速度能夠根據(jù)入射光的強度

自動調(diào)整。如果光的強度太弱，則可以通過長積分時間模式或控制增益的方式來增強弱

的CCD信號。

當完成對光敏元區(qū)域的掃描后，CCD將光電荷從光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移至屏蔽存儲區(qū)域。而

后，光電荷被按順序轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，電荷耦合器件（CCD）正是由這種電荷耦合式

的轉(zhuǎn)移方式，通過在按一定的時序在電極上施加高低電平，可使光電荷在相鄰的勢阱間

進行轉(zhuǎn)移，圖1.2.2所示為目前廣泛采用的三相電極傳送方式。

③①②③③①②③③①②③

2V10V2V2V2V10V2-10V2V2V10V10V2V

Q999

在宥電荷

的勢阱

(c)

③①②③

2V10-2V10V2V二:黑

^tzvnjz

也荷移動

(o

圖1.2.2三相CCD中光電荷的轉(zhuǎn)移

CCD的光敏區(qū)域有一維線陣排列和二維面陣排列兩種，與其對應(yīng)的就是線陣（線

掃描）相機和面陣（面掃描）相機。圖1.2.3所示就是兩種較典型的線陣CCD,通常是

由512、1024、2048、4096等個像敏元呈一維排列。光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)——移位寄存

器是分開的，移位寄存器被遮擋。在圖1.2.3中左側(cè)所示的單通道線陣CCD中，當轉(zhuǎn)

移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉(zhuǎn)移到同一個CCD移位寄存器中，

最后在時鐘脈沖的作用下一位位地移出器件，形成視頻脈沖信號，而在圖1.2.3中左側(cè)

所示的雙通道線陣CCD中，當轉(zhuǎn)移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的奇偶位的信號

電荷分別并行轉(zhuǎn)移到不同CCD移位寄存器中，最后再合并為視頻信號輸出，這樣可以

提高傳輸速度，目前不僅有雙通道，甚至有四通道、八通道的線陣相機以加速線陣CCD

的傳輸速度。

CCD

PhotodiodesRTII-_Qosi

卬卬q鼻匚-----------------二TransferGas

匚__________________二ITransferGateI|II|II|IIIIIPhoto@odQS

匚二|ITransferGac?

IHI一Qos

~°oa

CCD

CCD

圖1.2.3線陣CCD結(jié)構(gòu)（左為單溝道、右為雙溝道）

而對于面陣CCD相機，顧名思義其像元呈二維陣列分布，圖1.2.4所示為三種典

型的面陣CCD結(jié)構(gòu)，最左邊為楨轉(zhuǎn)移型面陣CCD,它由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄

存器三部分構(gòu)成，它的光存儲區(qū)域與光敏像素區(qū)域分開，因此能夠有較大的填充因子和

較高的勢阱容量模傳遞函數(shù)MTF較高的優(yōu)點，幀轉(zhuǎn)移型CCD的缺點就是快門速度不快,

并且制造的體積要稍大，就增加了成本；中間的為全幀型面陣CCD,當積分完成后通

過快門屏蔽入射光然后開始進行行轉(zhuǎn)移，他可以具有比較大的光敏區(qū)域比例；最右邊為

行間轉(zhuǎn)移型CCD,每列像敏單元的旁邊都有一個垂直移位寄存器，行間轉(zhuǎn)移CCD只需

要約1uS的時間就可完成光電荷至垂直移位寄存器的轉(zhuǎn)移，從而很好地解決了幀轉(zhuǎn)移

CCD因轉(zhuǎn)移速度不夠快而帶來的圖像模糊問題。同時，由于行間轉(zhuǎn)移CCD的垂直移位

寄存器所占的面積均被遮蔽，所以其對輸入光的利用率以及像素密度相對較低。

圖1.2.4面陣CCD結(jié)構(gòu)（左為楨轉(zhuǎn)移、中為全楨轉(zhuǎn)移、右為行間轉(zhuǎn)移）

CCD芯片總會給出一些基本參數(shù)或特性，您想知道某種CCD相機是否能夠滿足您

的應(yīng)用，那么這些參數(shù)或特性正是您所要關(guān)心的。

CCD芯片的基本參數(shù)之一就是分辨率，單位為有效像素。以面陣相機為例，支持

CCIR制式的相機能夠提供768x576有效像素的圖像輸出，支持RS-170（EIA）制式的

相機能夠提供640x480有效像素的圖像輸出，比較常見的百萬像素相機可以提供1280x

1024有效像素。

有效像素區(qū)域的大小，即CCD芯片尺寸同樣是一個重要的參數(shù)。圖1.2.5所示的一

些常見面陣CCD芯片尺寸，通常都會以英寸表示，圖中分別對應(yīng)了其實際尺寸。

I2.8

圖1.2.5常見面陣CCD芯片尺寸

頻譜響應(yīng)特性是另外一個重要的光學參數(shù)。圖1.2.6中所示的實線是典型CCD芯片的

頻譜響應(yīng)。通常，為了使CCD與人眼的頻譜相似（即使CCD獲取的照片更有真實感）

或者排除溫度等對CCD相機的影響，相機中會提供一個紅外濾波片來實現(xiàn)，如圖中點劃

線所示。假如有一些應(yīng)用需要對近紅外光（NIR）有高的頻譜響應(yīng)來達到圖像效果，在

這種情況下，就需要一個峰值大約750納米的CCD芯片，這種芯片還可以通過標準CCD

芯片技術(shù)達到，因而價格相比還不是很貴。但標準CCD技術(shù)對紫外光（UV）以及中（MIR）、

遠紅外光（FIR）是不適用的，這些區(qū)域需要特殊的CCD器件或者完全不同的技術(shù)，因而

價格也貴很多。

[nm]

圖1.2.6常見CCD芯片頻譜響應(yīng)曲線

CCD芯片本身沒有區(qū)分顏色的能力，比如說，不同的波長就產(chǎn)生不同的光子能量。

因此，要通過CCD獲得顏色信息，就必須獲取混合光中三基色（RGB）分量。彩色CCD

芯片獲取RGB信息通常有兩種方法：最常見的也是相對簡單就是在CCD相鄰像素上依

次加上紅、綠、藍色的濾波片（mosaic和ters）,在一個芯片上將彩色分量分離，這樣

我們就得到與我們眼睛看到的相似的紅綠藍相鄰像素，使用這種技術(shù)的相機比較便宜，

而且不需要特殊的鏡頭，缺點就是分辨率比較低。而獲取高分辨率的彩色圖像則多利用

三CCD技術(shù)，利用棱鏡將進入相機的光分成三種顏色，三種顏色的光分別映射到另外三

個獨立的CCD芯片，利用這種技術(shù)的相機能夠保證高的質(zhì)量，不過價格也較高，另外，

需要使用特殊的鏡頭。

如果您的應(yīng)用有高分辨率圖像的需要，通常的標準視頻制式的工業(yè)相機可能不能獲

得。您可以通過采用高分辨率的面陣CCD相機，也可以采用線陣CCD相機，通常采用

線陣CCD不僅價格相對便宜，也容易獲取高一些的速度。

圖像輸出

圖像輸出單元產(chǎn)生一個適合后續(xù)圖像處理的視頻信號。在標準的相機中，獲取的圖

像將轉(zhuǎn)換成遵循某一種國際視頻標準的視頻信號：在標準相機中，獲取的圖像轉(zhuǎn)換成一

個遵循國際標準之一的視頻信號，對歐洲為CCIR標準，對美國為EIA制定的RS-170

標準?；贑CIR標準，有兩個彩色標準:PAL制式和SECAM制式。對RS-170標準

的彩色的延展就是RS-170a,即NTSC標準。非標準相機的輸出單元要遵循一定的規(guī)

則，與特定的形式無關(guān)，一般是基于RS-422標準的。從技術(shù)角度考慮，由于避免了視

頻標準的限制，數(shù)字相機是比較理想的選擇；而從經(jīng)濟的角度考慮，這些標準太重要了

而不可能完全擺脫它們。下圖是標準制式相機的原理圖，CCD完成積分控制后奇數(shù)行

和偶數(shù)行按先后依次轉(zhuǎn)移到輸出寄存器(通常將所有奇數(shù)行或所有偶數(shù)行組成的圖像稱

為一場(field),而兩場合并后才稱為一楨(frame),然后通過相機內(nèi)部的同步產(chǎn)生器

在每行像素前插入行同步信號(HD),在經(jīng)過若干行達到一個場時插入場同步信號

(VD)o

圖1.2.7標準制式相機的原理圖

相機的一個重要的非標準選項就是像素時鐘輸出，來自CCD芯片的像素傳輸?shù)膬?nèi)

部時鐘可以適用于后續(xù)的圖像處理單元，這種像素數(shù)據(jù)的精確傳輸是對精確測量的預獲

取，此外很多相機也能接受外部的時鐘輸入來進行外同步。另一種對外部事件的響應(yīng)是

用外部事件來觸發(fā)相機，在測量運動物體的時候這是非常重要的，比如由光電開關(guān)觸發(fā)

相機。

隔行掃描是多年前作為電視廣播標準的一部分而發(fā)展起來的，它主要發(fā)展是為了在

有效的信號帶寬內(nèi)改進運動影像，目前的視頻標準依然依賴于早期的顯像管相機和顯示

屏技術(shù)，在如今CCD芯片和純平顯示的年代，這些只會給機器視覺應(yīng)用帶來麻煩，卻

依然大量應(yīng)用似乎很奇怪了，前面已經(jīng)提到這還是由于必須考慮價格因素。對于顯像管，

必須控制掃描顯像管光敏感區(qū)域電子流和在屏幕上產(chǎn)生的圖像。掃描從左上角開始，到

第一行的末尾，折回到第三行繼續(xù)掃描。這種方式，第一次掃描一場的奇數(shù)行，第二次

掃描一場的偶數(shù)行，重疊起來就降低了電視屏幕的閃爍。一次完整的掃描（-幀）對于

CCIR標準由625線組成，持續(xù)1/25秒。一個RS-170幀由525線組成，持續(xù)1/30秒。

下圖描述了相機輸出單元的一些特性、參數(shù)及選項。

在折回的時間中，水平同步脈沖加入到視頻信號中，表示另一行的開始。同步信號

之前和之后的多余時間用于給BLACK提供一個參考。信號的這些部分稱為前向通路和后

向通路。垂直同步脈沖觸發(fā)新的一場的開始。垂直同步脈沖是一個由對CCIR標準多于

50線的，對EIA標準多于40線的脈沖序列。因此，這些線不是用于標準視頻信號的，標

準視頻信號應(yīng)該是對CCIR標準575線，對EIA標準485線。

標準視頻信號傳輸?shù)耐剑腔谒胶痛怪蓖矫}沖的。那單個像素呢？按照

CCIR標準和EIA標準，圖像的寬高比例必須是4：3o因此，對于CCIR標準為767像素/

線，對于ElA標準為647像素/線。對于CCIR標準，在52ms內(nèi)掃描767個像素，需要像素

時鐘頻率為14.75MHz,而對于EIA標準，在52.59ms內(nèi)掃描647個像素，需要像素時鐘

頻率為12.3MHz。

圖1.2.8視頻信號格式與相關(guān)電壓

對于人類視覺系統(tǒng)，單個像素的意義不大。電視的分辨率是以不同的方式測量的：

對于水平分辨率最高的要求就是，當CCIR相機指向383.5垂直的黑白線對的時候，一行

的鄰近像素必須分別獲取并顯示最大和最小灰度級。盡管這對應(yīng)一個矩形信號，但人類

視覺系統(tǒng)分辨模糊的從黑到白的灰度轉(zhuǎn)變是沒有問題的，因此被看作是一個頻率為

7.375MHz的正弦信號。對于EIA標準相應(yīng)的計算就是一個頻率為6.15MHz的正弦信號。

那么，任一視頻分量的帶寬就分別為7.375MHz和6.15MHz。然而，視頻標準允許低的

帶寬，就導致低的水平分辨率。因此相機或監(jiān)視器能獲取和顯示的垂直線的個數(shù)就是一

個質(zhì)量評估指標。這一參數(shù)是來計算單個垂直的黑線和白線，而不是計算線對。簡單的

監(jiān)視系統(tǒng)需要300條TV線。高分辨率系統(tǒng)提供550或更多的TV線。在實際中，這種測量

并沒有精確的使用。因此，一個有550條TV線的相機可能會比另一個號稱600條TV線的

相機有更好的性能。

顯像管屏幕的顯示特性是非線性的，強調(diào)圖像亮的和暗的灰度級。為了補償這個影

響，大多數(shù)相機提供r校正（伽馬校正）。如果r=1,輸出單元以線性模式工作，r=0.45

表明輸出單元強調(diào)中灰度級。另外，一些相機提供一個r=0.25的r校正來增強中灰度級。

r校正用于監(jiān)控系統(tǒng)會很有用，而在測量中作用稍小一些。

如在前一節(jié)所述，電子快門用于控制CCD芯片的曝光時間。如果物體照明不好，電

子快門速度就需要慢些，以增加曝光時間。視頻標準規(guī)定最小的快門速度為對于CCIR

標準1/50秒，對于EIA標準1/60秒。如果物體要運動，最小的快門速度會高一些，結(jié)果,

要求的1V的視頻信號幅度就可能達不到。這種情況下，就需要利用增益控制來放大信號。

最大增益通常為1：10或1：20o如果這還不夠，就要運用長時間的積分。這些放大器

可以是自動運行的也可以是手動運行的。在自動增益控制（AGC）模式中，放大器調(diào)整

自己來輸出幅度為1V的標準視頻信號。這對監(jiān)控系統(tǒng)適用但對測量就不大適用。由于這

里我們通常用控制照明工作，最好將相機調(diào)到手動增益控制模式，那么相機操作器就會

根據(jù)指定條件設(shè)置精確的增益。

如果圖像采集卡從一個輸入視頻信號切換到另一個輸入視頻信號，采集卡通常需要

獲得穩(wěn)定的圖像需要幾楨的時間（這段時間用于從復合視頻信號中提取同步頭）。而且

這一影響經(jīng)常被低估了，這是很煩人的。在某些應(yīng)用場合，需要多個相機同時拍攝同一

工件的不同工位或不同視角，這樣就希望所有的視頻輸入信號是垂直同步的，這一過程

的術(shù)語就是外部同步或同步鎖相，這樣就可以避免相機間捕獲圖像的時間差異。圖1.2.9

所示為三種相機間的同步方法。最簡單的（圖1.2.9a）是靠建立一個同步鏈，從一個相

機的視頻輸出用于下一個相機的同步輸入，顯然，相機之間的信號遲延可能會導致一些

問題。如果同步必須是很精確的，就應(yīng)該使用一個外部同步發(fā)生器如圖129b所示。通

常一些相機接受水平同步和垂直同步為TTL電平而且很多的中高端圖像采集卡都可以提

供，因而用采集卡的同步輸出同樣能夠進行相機間的同步，但在使用采集卡的同步輸出

時需要注意的是它的負載驅(qū)動能力，大部分圖像采集卡在同時驅(qū)動三個以上相機同步時

需要增加中繼或功率放大器。

H/V-SyncTR

Video

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圖1.2.9相機同步方式(從左向右依次為a,b,c)

對于區(qū)分一個CCD芯片的系統(tǒng)和三個CCD芯片的系統(tǒng)獲取的彩色圖像，有三個不

同的系統(tǒng)可用于視頻信號輸出。這些輸出的術(shù)語為：復合,>70(alsoknowasS-VHS)

andRGB.從名字就可以看出，一個復合信號包含亮度信息和彩色信息。亮度信號與標

準CCIR和RS-170亮度信號是相等的，只是簡單的疊加了彩色信號。彩色信號是根據(jù)PAL

標準、SECAM標準、以及NTSC標準的一個彩色分量的復雜組成。顯然，這樣一個信號

的組合會導致信號誤差，可能會引起圖像失真。因此，將亮度信號(Y信號)和彩色信

號(C信號)分離是一個好想法。這種亮度/彩色相機是在性能和價格之間比較滿意的折

中。對于高性能系統(tǒng)，強烈建議采取RGB方法。RGB方法避免了彩色信號的組合，而

是對三原色的每一種顏色使用各自的標準亮度信號。三個芯片的CCD相機通常都有

RGB輸出，因為破壞這種帶有不充分的復合信號或者亮度/彩色輸出信號的相機的質(zhì)量

沒有任何意義。高質(zhì)量的單芯片CCD相機提供所有的三路輸出，中等質(zhì)量相機丟棄RGB

輸出，單彩色相機僅僅使用復合信號。

像素時鐘(PixelClock)

像素時鐘是用以驅(qū)動CCD上的移位寄存器的高速時鐘，它將輸入的模擬視頻信號采

樣為單個的像素值。像素時鐘輸出可以由相機或圖像采集卡提供。有可能使用圖像采集

卡的鎖相環(huán)PLL(Phase-LockedLoop)來產(chǎn)生像素時鐘，PLL使用一個參考電平，這

個參考電平可以來自采集卡的板內(nèi)晶振，對于周期的脈沖電平也可以來自外部的行同步

信號。

通常用像素抖動(PixelJitter)來衡量像素時鐘的準確性，它測量的是像素時鐘的

脈沖上升沿相對于水平同步信號下降沿的偏差，其以單位納秒為單位。像素抖動是模擬

/數(shù)碼轉(zhuǎn)換過程中不可避免的，它可能是相機（其內(nèi)部的像素時鐘或水平同步信號）引

入的，也可能是圖像采集卡的鎖相環(huán)（其可以引入附加的像素抖動）引入的。作為像素

抖動的結(jié)果，輸入的視頻信號可能會被提前或滯后采集了，這樣就會導致數(shù)字化的像素

與相機采樣的像素不一致，對于連續(xù)的視頻就會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。從圖像采集卡的鎖相環(huán)

產(chǎn)生的基于穩(wěn)定的參考電平的像素時鐘可以將像素抖動降低在一個很小的范圍內(nèi)。

如果像素時鐘足夠精確，視頻信號應(yīng)該在圖1.2.10所示的“P”處抽樣并通過參考電平

完成灰度轉(zhuǎn)化，但由于受到像素抖動的影響，視頻信號可能被抽樣過早或過晚（圖中設(shè)

定像素抖動引起的誤差為士xns），這樣就導致對應(yīng)的灰度值與理想值相對低了或高了。

通常對圖像質(zhì)量要求很高（比如用于高精度的測量）的圖像采集卡像素抖動都控制在±3

ns之內(nèi)。

正如前面所討論的，視頻信號的同步無一例外的都是基于水平和垂直同步脈沖的。

不過，視頻標準卻沒有要求精確的像素（pixel-wise）同步。因此，CCD芯片的像素映

射到計算機時受到像素抖動的影響就不是很精確。雖然可以通過預映射誤差，然后編制

程序?qū)ο袼囟秳右鸬恼`差進行標定或補償，然而高精度的測量以及亞像素算法要求精

確的像素描述，因此這種解決辦法并不能被接受。圖1211表明了對這一問題更好的硬

件解決方法。圖像采集卡必須控制基于像素時鐘的視頻輸入信號的抽樣率。以測量為目

的的圖像采集卡將使用外部像素時鐘代替內(nèi)部時鐘成為可能。在一些以測量為目的的應(yīng)

用，圖像采集卡輸出像素時鐘來影響給圖像采集卡。因此每一個像素的傳輸都有嚴格的

控制。最開始采集卡將提供一個像素時鐘信號給相機，接著相機將產(chǎn)生一個新的像素時

鐘信號并且與視頻信號一起反潰給采集卡，這樣才可以確保輸入的為同相視頻信號且通

過像素時鐘來數(shù)字化（或稱采樣）視頻信號，相位不準可能來自相機內(nèi)部的電路遲延。

v-synch-sync

(newhalfimage)(newline)

圖1211減小像素抖動的方法

逐行掃描（ProgressiveScan）

大多數(shù)顯示器和相機都是以隔行方式掃描，但實際上人眼看來仍然像一個平滑的圖

像，相機一般先獲取圖像的奇數(shù)行，對于CCIR標準，它在1/50秒后再獲取偶數(shù)行，

而對于EIA標準，在1/60秒后再獲取偶數(shù)行。在機器視覺應(yīng)用中，物體通常移動很快。

當利用隔行掃描相機時，在兩場之間可能物體都有移動，結(jié)果就會是一副模糊的圖像，

就像是兩次曝光或者是在垂直邊緣有梳狀效應(yīng)。為了解決這種影響，可以將隔行掃描相

機設(shè)成只掃描一個場，這樣垂直分辨率將會減半，而幀采集速率將會提高一倍，相機的

這種操作被稱為場模式，或者非隔行輸出，對許多機器視覺應(yīng)用都很有用，場模式還能

夠提供敏感度加倍的好處，由垂直像素BINNING得到（像素BINNING是指CCD傳感

器的一個特殊讀出模式，傳感器將2個或多個像素綁定到一起鎖定，從多個像素積累的

電荷求和），場模式雖然可以提高幀速度、敏感性以及信噪比，但會降低分辨率，在要

求對快速運動的物體完全垂直分辨率的應(yīng)用中，應(yīng)該使用逐行掃描相機。

觸發(fā)機制（TriggerMechanisms）

假設(shè)流動生產(chǎn)線上的產(chǎn)品必須由視覺系統(tǒng)來檢測。單個產(chǎn)品的圖像必須在它被置于

在相機前某個確定的時間被取得，視覺系統(tǒng)對外部事件的及時響應(yīng)即為觸發(fā)，觸發(fā)可以

通過軟件實現(xiàn)也可以通過硬件實現(xiàn)。一般情況下，當一個事件發(fā)生時它觸發(fā)采集卡并同

時觸發(fā)相機的重啟信號。另外，同時觸發(fā)頻閃器也可以幫助凍結(jié)運動物體的圖像。

觸發(fā)后相機總會有個響應(yīng)時間，這個時間對于高速運動的物體最好能夠精確控制，

普通的面陣相機（沒有異步觸發(fā)）總是等一幀掃描完，對于N制式的相機來說這個觸發(fā)

響應(yīng)時間就會至少有0~33ms之間的不確定時間，如果采集卡尋找同步點的時間再長一

點，這個不確定的時間長度又增加了，這段時間內(nèi)物體有可能已經(jīng)運動出了視場區(qū)域。

為了加快相機的響應(yīng)速度，就出現(xiàn)了異步重置（Asynchronous）功能，靠采集卡給相

機施加外部時鐘。當相機被異步重置，除了像素時鐘，HD和VD（或相機寫允許脈沖

WEN）信號都被重置了。采集卡一般都是被動的帶著相機的時鐘信號進行驅(qū)動，相機

的HD和VD（或WEN）信號分別控制采集卡的水平掃描時鐘和楨掃描時鐘，而相機的

像素時鐘則用以控制采集卡的A/D轉(zhuǎn)換。而異步重置又分為行異步方式（相機被觸發(fā)后

在下一個HD信號立刻回起點進行掃描）和像素異步方式（CCD在觸發(fā)后的下一個像

素時鐘就立刻從頭掃描，這樣可以更加迅速響應(yīng)來獲取觸發(fā)瞬間的圖像）。如圖1212

為外部信號觸發(fā)（externaltrigger）相機異步重置的信號信連接以及時序圖。

理論上觸發(fā)原則是很簡單描述的，但實際上可能有些麻煩。由于觸發(fā)機制是非標準

的，每一個相機和采集卡都有它自己的特性，觸發(fā)圖像處理系統(tǒng)的成功實現(xiàn)需要相關(guān)方

長時間積分（Long-timeintegration）

如果最長的積分時間以及最大的增益并不能滿足低光照條件的要求，就必須延長積

分時間。但顯然，噪聲的影響會隨著積分時間的延長而加強。在室溫條件下，積分時間

不能夠超過10秒。如果圖像是絕對靜止的，連續(xù)拍攝的幾副圖像相加就能夠減少噪聲。

第二個解決方法就是冷卻CCD芯片，從噪聲產(chǎn)生一開始就將之減小。通過空氣冷卻的辦

法，積分時間可以延長到15分鐘；通過水冷卻的辦法，積分時間可以延長到3個小時。

由于長時間的積分并不適應(yīng)視頻標準，因此，這種相機通常都有一個緩存來存儲當前圖

像，直到新一個積分完成。

小結(jié)

★1個CCD像素將2個光子（400—1000納米）轉(zhuǎn)變成1個電子，50000個電子產(chǎn)生一個

1伏的視頻信號。

★由于暗電流的影響，在室溫條件下，積分時間不能夠超過10秒。

★參數(shù)TVlines電視線數(shù)來源于電視技術(shù)，它描述了相機能夠獲取、顯示器能夠顯示的

垂直黑白線的最大數(shù)目。

★若使用三芯片的CCD相機，建議用相機制造商建議的鏡頭，使用低質(zhì)量的鏡頭會降低

圖像質(zhì)量。

★絕大多數(shù)相機都是間隔式轉(zhuǎn)移的，即隔行掃描（interlace）,當用來拍攝運動物體時,

就會出現(xiàn)梳狀效應(yīng)。為消除這種效應(yīng)，可以只采集一半的圖像（只使用奇數(shù)行或偶

數(shù)行），如果要求完全的分辨率，必須利用逐行掃描相機。

★亞像素算法要求圖像本生足夠精確。（低的像素抖動或稱pixel-wise圖像轉(zhuǎn)移）。

★放大率分為物理放大率和系統(tǒng)放大率。物理放大率指傳感器感光面積（CCDSize）

與視野（FOV）的比值，整個參數(shù)基本取決于鏡頭；系統(tǒng)放大率指最后顯示環(huán)節(jié)上

目標的尺寸與實際目標尺寸的比值。系統(tǒng)放大率取決于物理放大率和顯示系統(tǒng)的闡

述。對于自動測量和檢測系統(tǒng)而言，物理放大率具有關(guān)鍵的意義。系統(tǒng)放大率僅僅

對于需要人機交互進行檢測的系統(tǒng)有意義。

★相機觸發(fā)機制其基本原理很簡單，但實際上各個制造商的相機都不同，在這個領(lǐng)域

沒有標準，因而接線必須參考相機的說明手冊。

FAQ：

（1）問：應(yīng)該怎樣選擇相機或者說是選擇相機應(yīng)該注意哪些？

答：以上說的多是相機的原理和一些關(guān)鍵技術(shù)，對于接觸機器視覺技術(shù)者熟悉這些可

能需要一個過程，但選擇相機卻往往刻不容緩的擺在面前。因此，選擇相機最簡單的方

法是您將您檢測或測量的要求告知專業(yè)視覺系統(tǒng)集成商，他們應(yīng)該能幫到您。通常您首

先需要知道系統(tǒng)精度要求和相機分辨率，可以通過公式：X方向系統(tǒng)精度（X方向像素

值）=視野范圍（X方向）/CCD芯片像素數(shù)量（X方向）；丫方向系統(tǒng)精度（丫方向像

素值）=視野范圍（丫方向）/CCD芯片像素數(shù)量（丫方向）來獲得。當然理論像素值

的得出，要由系統(tǒng)精度及亞像素方法綜合考慮；接著您要知道系統(tǒng)速度要求與相機成像

速度，系統(tǒng)單次運行速度=系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度+系統(tǒng)檢測速度，雖然系統(tǒng)成像（包

括傳輸）速度可以根據(jù)相機異步觸發(fā)功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是

通過軟件進行實際測試；再接著您要將相機與圖像采集卡一并考慮，因為這涉及到兩者

的匹配：a,視頻信號的匹配。對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，CCIR和RS170

（EIA）,通常采集卡都同時支持這兩種相機；b,分辨率的匹配。每款板卡都只支持

某一分辨率范圍內(nèi)的相機；c,特殊功能的匹配。如要是用相機的特殊功能，先確定所

用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，

如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描；d,接口的匹配。確定相機

與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394等。最后才應(yīng)該是價格的比較。

（2）問：什么是亞像素？

答：一般用分辨率這個名詞來描述CCD芯片上的行列數(shù)。實際上，CCD芯片是一個抽

樣器件，它的最大抽樣率由抽樣定律決定，即抽樣率必須高于奈奎斯特頻率的2倍。抽

樣理論在一維時間信號中得到了廣泛的使用，但并沒有被完全的應(yīng)用到CCD芯片的信號

采樣中。能夠通過亞像素算術(shù)來提高CCD芯片的抽樣率，理論就是把一個像素看作是由

亞像素組成的子圖像。通常，我們能夠處理亞分辨率為10x10亞像素的圖像。一個典型

的例子就是決定一個斑點的重心（圖1213a）。由于積分特性，原始像素位置誤差與

其本身輸出相同。假設(shè)一個灰度級的一維圖像如圖1.2.13b所示，如果灰度值的轉(zhuǎn)折點剛

好出現(xiàn)在像素的邊緣，那么容易確切得知道輪廓點的位置。但實際的轉(zhuǎn)折點可能不在一

個理想的級別，我們不能夠準確得知道芯片上轉(zhuǎn)折點剪切像素的位置。另外更重要的，

模糊的灰度級允許灰度級差值，因此我們就能夠決定亞像素的位置作為灰度級的功能。

不管怎樣，只有將CCD芯片內(nèi)的模擬圖像盡可能精確地描繪在圖像處理單元的內(nèi)存中，

亞像素算法才能是精確的。就像以前章節(jié)中討論的，這不是對標準視頻相機的情況。描

述像素時鐘的章節(jié)顯示這個問題能夠解決。

叫elMibpixel

圖1213有關(guān)亞像素的解釋(左圖為a、右圖為b)

(3)問：什么是12位相機？我是否需要12位相機？

答：理論上12位相機的動態(tài)范圍是8位相機的動態(tài)范圍的16倍。一個8位的相機最高能

夠檢測256個灰度級。一個12位相機有4096個灰度級。由于相機是數(shù)字的，您不必測量

到213.5625,或者說213或214。如果您需要檢測213和214灰度級之間的灰度級，8位

相機的效果就很差。這時您就要用12位相機，它能提供16倍的動態(tài)范圍，同時又能得到

與8位相機相同的數(shù)據(jù)量。

(4)問：CMOS相機與CCD相機間的區(qū)別有哪些？

答：它們是不同工藝和結(jié)構(gòu)的兩種微電子器件，主要的區(qū)別如下：i)CCD傳感器比

CMOS傳感器對光更加敏感，這是因為CCD往往比CMOS相機有更大的填充因子。如今

采用微透鏡技術(shù)的CCD可以達到100%的填充比，而CMOS由于周圍的電路元素影響，

它的填充比一般在70%左右。ii)CCD傳感器更適應(yīng)低對比度的場合，這是由于CCD

傳感器可以獲得更高的信噪比。iii)CMOS傳感器可以獲得比CCD傳感器高很多的圖像

傳輸速度，因而更適用于高速場合的需要。iv)CMOS傳感器由于其電路結(jié)構(gòu)特性可以

獲得比CCD傳感器更多的輸出柔性，您可以在任意選擇圖像輸出的子興趣區(qū)域來提高圖

像傳輸速度，比如某傳感器有1280x1024的像素分辨能力和15幀/秒的圖像傳輸頻率，

如果是CCD傳感器，由于其串行耦合輸出的電路特性使它在選擇子興趣區(qū)域時只能減少

行分辨率，如640x1024(30幀/秒)、320x1024(60幀/秒)；而如果是CMOS傳感器,

則可以選擇低于1280x1024的任何分辨率，如640x480(約70幀/秒)。v)CMOS傳

感器擁有更低的電能消耗，因此更適應(yīng)于便攜設(shè)備和空間應(yīng)用。但有一點很明顯，隨著

兩者技術(shù)的進步，在同檔次的相機上差別也越來越小，因而選擇何種創(chuàng)感器主要是遵守

適用原則。

(5)問：CCD是數(shù)字器件？

答：雖然CCD與許多數(shù)字器件一樣用到時鐘，但是光的采集和輸出是以模擬形式進行的。

輸入CCD的時鐘用于從光敏器件轉(zhuǎn)移電荷到輸出放大器上。輸出信號是模擬的，必須被

轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能被計算機處理。

(6)問：模擬輸出相機與數(shù)字輸出相機之間的區(qū)別是什么？

答：模擬相機的視頻輸出是用模擬電信號傳輸視頻信號，這種相機通常用于閉路電視，

或者與數(shù)字化視頻波形的采集卡相連。數(shù)字相機其內(nèi)部有一個A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)以數(shù)字

形式傳輸，能夠直接顯示在電腦或電視屏幕上，因而數(shù)字輸出相機可以避免傳輸過程的

圖像衰減或噪聲。

(7)問：我應(yīng)該選擇何種輸出接口的相機？

答：輸出接口類型的選擇主要由您需要獲得數(shù)據(jù)類型決定。如果您的圖像輸出直接給視

頻監(jiān)視器，那么您只需要模擬輸出的相機(對單色圖像需求就是CCIR或RS-170制式

輸出，對彩色圖像需求就是PAL或NTSC制式輸出)。如果您需要將相機獲取的圖像傳

輸給電腦，則可以用多種輸出接口選擇，但必須和采集卡的接口一致，通常有如下的選

擇(在圖像采集卡一節(jié)將進一步介紹)：i)模擬接口仍然可以適用，圖像信號需要一

張圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，這樣的搭配價格最低因而是最常見的。ii)對一些沒有其

它采集卡控制需求和圖像傳輸可靠性需求的應(yīng)用，采用直聯(lián)的USB2.0接口和IEEE1394

(FireWire)最為方便。hi)CameraLink接口是一種數(shù)字輸出標準，它需要一張采集卡

來承載，并用以配合高性能的面掃描相機或線掃描相機，隨著該數(shù)字接口的推廣和完善，

價格也不如預期的那樣昂貴。iv)此外，也有一些老一點的數(shù)字接口仍然再被使用，比

如LVDSRS644o

(8)問：為什么很多相機比便攜攝像機和CCTV相機要貴很多？它們不都是用CCD傳

感器嗎？

答：科學級CCD與用于消費的CCD之間的區(qū)別與想要得到的圖像質(zhì)量有關(guān)。一些數(shù)字

相機使用有很少噪聲的特殊的CCD,有很大的像素數(shù)，并且有些可以拍攝高速運動的物

體。

(9)問：什么是垂直同步、彩色視頻復合信號同步、外同步、直流線鎖定和完全同步？

答：這是攝像機之間不同的同步方法。全體鎖定是兩部用于精密的應(yīng)用如廣播攝影棚攝

像機之間完全同步最好的方法。它將同步：水平，垂直，偶數(shù)/奇數(shù)區(qū)域，色彩觸發(fā)頻率

和階段。垂直同步是最簡單的方法來同步兩部攝像機，通過垂直驅(qū)動頻率來保證視頻能

夠采用老式的切換期或者四分割機器，在同一個監(jiān)視器上顯示幾個影像源。垂直驅(qū)動信

號通常由重復頻率20/16.7毫秒(50/60赫茲)和脈沖1~3毫秒寬度的脈沖組成。彩色視

頻復合信號代表視頻和彩色觸發(fā)信號，意味著攝像機能和外部的復合彩色視頻信號同

步。然而盡管稱作彩色視頻復合信號同步，實際上只進行水平同步和垂直同步，而沒有

色彩觸發(fā)同步。外同步非常類似于彩色視頻復合信號同步。一個攝像機能夠同步于另一

個攝像機的視頻信號，一個外同步攝像機能使用輸入的彩色視頻復合信號，提取水平和

垂直同步信號來做同步。

多數(shù)相機具有垂直驅(qū)動同步或者彩色視頻復合信號/外同步性能，但是由于監(jiān)控攝像機永

遠不需要線鎖定，因此閉路監(jiān)控攝像機幾乎沒有完全鎖定性能。直流線鎖定是一種古老

的技術(shù)，利用直流50/60赫茲電源線電流來同步攝像機。因為直流24伏電源廣泛使用于

多數(shù)建筑物防火警報系統(tǒng)，由于非常容易獲得，因此廣泛應(yīng)用于北美洲。由于老型號的

切換器和分割系統(tǒng)沒有數(shù)字記憶功能，要保持穩(wěn)定的影像，攝像機之間的同步非常必要,

直流線鎖定就是攝像機同步于交流50/60赫茲，彩色信道之間時間的關(guān)聯(lián)和水平/垂直信

號沒有約束會導致糟糕的色彩轉(zhuǎn)換(色彩階段設(shè)計)，因此所有使用交流線鎖定的用戶

不可避免地失去很好的色彩轉(zhuǎn)換。幸運的是，現(xiàn)在的分割器和16通道復合處理器以及硬

盤錄像機都有內(nèi)部記憶體來克服這個問題，不再需要同步信號，因此交流線鎖定可能若

干年后會被淘汰掉。

(10)問：什么是電子快門？為什么有些CCD沒有電子快門功能？

答：只要有光照，CCD光敏部分就會產(chǎn)生電子。由于像素必須被讀出，如果讀出需要很

長時間，圖像就會變差。這與使用慢速快門拍攝運動物體的原理一樣。通常在讀出時間

內(nèi)中止信號產(chǎn)生。然而，關(guān)掉光照就需要某種形式的機械快門或者電子快門。有些CCD

設(shè)計為只要信號產(chǎn)生就迅速傳送到CCD的某一金屬區(qū)域，由于光照不能夠穿透金屬，信

號產(chǎn)生就會中止，CCD就能夠沒有干擾的讀出。這種快速傳送到保護區(qū)域就稱作電子快

門，因為利用電子控制信號產(chǎn)生時間。

(11)問：硅對光的敏感度超過1100nm,但為什么沒有能夠檢測到這些波長的CCD?

答：硅對光的敏感度的確超過1100nm,然而，為什么CCD不能夠檢測到這些波長的原

因是有些復雜的：CCD通過吸收光，將光能量轉(zhuǎn)換成電能量來工作。這些電子在CCD中

傳送到輸出放大器中，這里，產(chǎn)生了與像素吸收的光能量成比例的一部分電信號。被硅

吸收的光能量取決于波長。藍光能夠被硅高度吸收，而大多數(shù)的光實際上是被CCD上的

多個硅溝吸收。結(jié)果，只有一小部分的藍光被CCD損耗區(qū)域吸收，這里像素聚集電子。

在可見光譜的另一端，紅光和近紅外光也只有少部分被吸收。因此，只有穿過了大量硅

的光才能被吸收而產(chǎn)生電子。這些電子漂移到CCD損耗區(qū)域被像素吸收，或者在別處漂

移直到它們的能量耗盡。

[本節(jié)參考文獻：Introductiontocameras,TheImagingSourceEuropeGmbH]

1.3鏡頭（lens）

人類的視覺是依靠眼睛中的晶狀體將景物的像投影在視網(wǎng)膜上，“花花世界”才被人類

感知。相機中的傳感器（CCD或CMOS）相當于人眼中的視網(wǎng)膜，那么鏡頭就相當于

晶狀體，必須通過鏡頭來攝取世界萬物，人類的眼睛如果焦距出現(xiàn)誤差（近視眼），則

會出現(xiàn)無法正確的分辨事物，同樣作為數(shù)碼相機的鏡頭，其最主要的特性也是鏡頭的焦

距值。鏡頭的焦距不同，能拍攝的景物廣闊程度就不同，照片效果也迥然相異。

鏡頭一般都由光學系統(tǒng)和機械裝置兩部分組成，光學系統(tǒng)由若干透鏡（或反射鏡）

組成，以構(gòu)成正確的物像關(guān)系，保證獲得正確、清晰的影像，它是鏡頭的核心；而機械

裝置包括固定光學元件的零件（如鏡筒、透鏡座、壓圈、連接環(huán)等），鏡頭調(diào)節(jié)機構(gòu)（如

光圈調(diào)節(jié)環(huán)、調(diào)焦環(huán)等)，連接機構(gòu)(比如常見的C、CS接口)等；止匕外，也有些鏡頭

上具有自動調(diào)光圈、自動調(diào)焦或感測光強度的電子機構(gòu)。

鏡頭按焦距大小可以分為長焦鏡頭、標準鏡頭、廣角鏡頭等；按用途通?？梢苑譃?/p>

安防用鏡頭(CCTVlens)、工業(yè)自動化鏡頭(FAlens),廣播級別的鏡頭(Broadcast

lens),高清晰電視用鏡頭(HDIens)；機器視覺行業(yè)內(nèi)通常將鏡頭分為宏鏡頭(macro

lens)>定倍鏡頭(fixed-maglens)、變焦鏡頭(zoom鏡頭)、遠心鏡頭(telecentriclens)、

高精度或百萬像素鏡頭(HighResolutionormillionpixelslens)等。當然，這些分類并

沒有嚴格的劃分界線。對于鏡頭有關(guān)的光學參數(shù)我們可以將焦距f、光圈系數(shù)(相對孔

徑)、像方視場(即支持的CCD芯片大小)以及像差(比如畸變、場曲等)看作鏡頭的

內(nèi)部參數(shù)，而圖3.3.1所示的是一個簡單視覺系統(tǒng)的鏡頭外部主要參數(shù)需求，通常是用

戶搭建視覺系統(tǒng)所最關(guān)心的，主要包括視場(FOV)、分辨率(Resolution)、工作距離

(WD)和景深(DOF)o

圖1.3.1簡單視覺系統(tǒng)鏡頭主要參數(shù)

為了解釋清楚鏡頭參數(shù)，讓我們先簡單的介紹一點光學基礎(chǔ)。圖1.3.2展示了鏡頭

成像的基本性質(zhì)，圖中a所示假設(shè)發(fā)光體位于無限遠處（無窮遠處物體所發(fā)光被認為是

平行光），放置鏡頭與這些平行光垂直，這些光線將聚集在一點，這一點就是所謂的焦

點。換句話說，焦點是無限遠處光源的映射。鏡頭與焦點之間的距離成為焦距f。因此,

如果我們想要獲取一個CCD傳感器上的無限遠的物體，鏡頭與傳感器的距離就會正好

是鏡頭的焦距。如果將發(fā)光體移近鏡頭，如圖中b所示，鏡頭就將光線聚焦在焦點前面,

因此如果要獲取尖銳的圖像，就必須增加鏡頭與傳感器的距離。這不僅僅應(yīng)用于理想的

薄透鏡，也可以應(yīng)用于實際由多鏡片組成的復合鏡頭。當鏡頭應(yīng)用于高精度的檢測場合

時，必須清楚理想薄透鏡公式與實際透鏡組計算公式。對于一般的應(yīng)用，理想薄透鏡或

是小孔成像原理可以被應(yīng)用到一般的視覺系統(tǒng)中。因此，鏡頭對焦意味著改變鏡頭本身

與CCD傳感器的距離，距離改變靠機械裝置進行約束。

圖1.3.3理想薄透鏡成像

而圖1.3.3所示的高斯公式則是對于理想薄透鏡的基本透鏡公式。在平常使用中,

——1十一1二一I

我們經(jīng)常需要決定焦距。其基本公式為：UVf

（公式1.3.1）

yv

m=—=—

y0（公

式1.3.2）

通過以上兩式可以得到

.yy

']+V/Ul+m（公式

1.3.3）

其中,v和u分別是鏡頭光心到圖像傳感器的距離和鏡頭光心到物體的距離,v和y

分別是圖像的大小和物體的大小。v與u之比就是放大因子（或稱放大倍率）加。

對成像理論進行簡單介紹之后，接著對鏡頭參數(shù)進行介紹。對于普通用戶最直觀的

2個內(nèi)部參數(shù)分別是焦距、光圈，不少鏡頭這2個參數(shù)都是可調(diào)的（還有一個外部參數(shù):

工作距離在有些鏡頭上也是可調(diào)的）。對同一芯片尺寸的相機，視場角2。則可以看作焦

2co=larctg4以

距的另一種表達，它與焦距的關(guān)系式為：f，這里，是CCD傳感器

的一個維的長度（水