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视觉检测设备的重中之重-工业摄像机

视觉检测设备的重中之重-工业摄像机

发布时间 :2018-6-25 21:38:24 查看次数 :4528

工业摄像机  

瑞士特科技长期关注机器视觉行业的发展,对工业相机和工业摄像机的研究也非常深入,在这里介绍下工业摄像机的工作原理。工业摄像机是机器视觉体系中的一个要害组件,其最实质的功用即是将光信号转变变成有序的电信号。挑选适宜的相机也是机器视觉体系规划中的重要环节,相机的选型不仅仅直接决议所收集到的图画分辨率、图画质量等,一起也与整个体系的运转方法直接有关。   

传感器是相机的核心部件,当前相机常用的感光芯片有CCD和CMOS两类: 

1、传感器的尺度 

图画传感器感光区域的面积巨细。这个尺度直接决议了整个体系的物理扩大率。如:1/3“、1/2”等。绝大多数模仿相机的传感器的长宽份额是4:3 (H:V),数字相机的长宽份额则包含多种:1:1,16:9,3:2 etc。 

2、CCD摄像机,CCD称为电荷耦合器件。

CCD实践上仅仅一个把从图画半导体中出来的电子有组织地储存起来的办法。当前常用CCD有3种布局,全帧搬运、帧传输、行搬运。 CMOS摄像机,CMOS称为“互补金属氧化物半导体”,CMOS实践上仅仅将晶体管放在硅块上的技术,没有更多的意义。CMOS能够将光敏元件、扩大器、A/D变换器、存储器、数字信号处置器和核算机接口操控电路集成在一块硅片上,具有布局简略、处置功用多、速度快、耗电低、本钱低一级特色。 

虽然CCD表明“电荷耦合器件”而CMOS表明“互补金属氧化物半导体”,可是不管CCD或许CMOS关于图画感应都没有用,真实感应的传感器称做“图画半导体”,CCD和CMOS传感器实践运用的都是同一种传感器“图画半导体”,图画半导体是一个P N联系半导体,能够变换光线的光子爆破联系处变成成份额数量的电子。电子的数量被核算信号的电压,光线进入图画半导体得越多,电子发生的也越多,从传感器输出的电压也越高。 

因为人眼能看到1Lux照度(满月的夜晚)以下的方针,CCD传感器通常能看到的照度规模在0.1~3Lux,是CMOS传感器感光度的3到10倍,所以当前通常CCD摄像机的图画质量要优于CMOS摄像机。 

CMOS能够将光敏元件、扩大器、A/D变换器、存储器、数字信号处置器和核算机接口操控电路集成在一块硅片上,具有布局简略、处置功用多、速度快、耗电低、本钱低一级特色。CMOS摄像机存在成像质量差、像敏单元尺度小、填充率低一级疑问,1989年后呈现了“有源像敏单元”布局,不只需光敏元件和像敏单元的寻址开关,并且还有信号扩大和处置等电路,进步了光电灵敏度、减小了噪声,扩展了动态规模,使得一些参数与CCD摄像机附近,而在功用、功耗、尺度和报价方面要优于CCD,逐步得到广泛的运用。CMOS传感器能够做得十分大并有和CCD传感器一样的感光度,因而十分适用于特别运用。CMOS传感器不需求杂乱的处置进程,直接将图画半导体发生的电子转变成电压信号,因而就十分快,这个长处使得CMOS传感器关于高帧摄像机十分有用,高帧速度能抵达400到100000帧/秒。 

CCD 与 CMOS 的对比 : 

噪点:因为 CMOS 每个感光二极管都需调配一个扩大器,假如以百万像素计,那么就需求百万个以上的扩大器,而扩大器归于模仿电路,很难让每个扩大器所得到的成果保持一起,因而与只需一个扩大器放在芯片边际的 CCD 传感器对比, CMOS 传感器的 噪点就会添加许多 ,影响图画质量。 

耗电量: CMOS 传感器的图画收集方法为自动式,感光二极管所发生的电荷会直接由周围的电晶体做扩大输出;而 CCD 传感器为被动式收集,有必要外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需求 12~18V ,因而 CCD 还有必要有更精细的电源线路规划和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的耗电量远高于 CMOS 。 CMOS 的耗电量仅为 CCD 的 1/8 到 1/10 。 

本钱:因为 CMOS 传感器选用通常半导体电路最常用的 CMOS 技术,能够轻易地将周边电路 ( 如 AGC 、 CDS 、 Timing generator 或 DSP 等 ) 集成到传感器芯片中,因而能够节约外围芯片的本钱;而 CCD 选用电荷传递的方法传送数据,只需其中有一个像素不能运转,就会致使一整排的数据不能传送,因而操控 CCD 传感器的成品率比 CMOS 传感器艰难许多,即便有经历的厂商也很难在产品面世的半年内打破 50% 的水平,因而, CCD 传感器的制作本钱会高于 CMOS 传感器。  

CCD 与 CMOS 传感器的远景: 

CCD 在印象质量等方面均优于 CMOS ,而 CMOS 则具有低本钱、低功耗、以及高整合度的特色。不过,跟着 CCD 与 CMOS 传感器技术的前进,两者的区别将逐步减小,新一代的 CCD 传感器一直在功耗上作改进,而 CMOS 传感器则在改进分辨率与灵敏度方面的缺乏。 

传感器的曝光方法: 

行曝光和帧曝光,由曝光方法决议了相机是运用于停止仍是运动物体的抓拍。  

按输出图画信号格局又分为: 1、模仿摄像机 

模仿摄像机所输出的信号方法为规范的模仿量视频信号,需求配专用的图画收集卡才干转化为核算机能够处置的数字信息。模仿摄像机通常用于电视摄像和监控范畴,具有通用性好、本钱低的特色,但通常分辨率较低、收集速度慢,并且在图画传输中简单遭到噪声搅扰,致使图画质量降低,所以只能用于对图画质量需求不高的机器视觉体系。常用的摄像机输出信号格局有: PAL(是非为CCIR),中国电视规范,625行,50场   NTSC(是非为EIA),日本电视规范,525行,60场   SECAM   S-VIDEO。

2、数字摄像机 

数字摄像机是在内部集成了A/D变换电路,能够直接将模仿量的图画信号转化为数字信息,不只需效避免了图画传输线路中的搅扰疑问,并且因为摆脱了规范视频信号格局的制约,对外的信号输出运用愈加高速和灵敏的数字信号传输协议,能够做成各种分辨率的方法,呈现了当前数字摄像机百家争鸣的局势。常见的数字摄像机图画输出规范有:   IEEE1394   USB2.0   DCOM3 RS-644 LVDS Channel Link LVDS   Camera Link LVDS   千兆网。 

按像元摆放方区分:

1、面阵摄像机 

面阵摄像机是咱们常见的方法,其像元是按队伍规整摆放的,每个像元对应图画上的一个像素点,咱们通常所说的分辨率即是指像元的个数。需求指出的是咱们核算机中的五颜六色图画通常是每个像素点由R、G、B三个值来表明,但咱们通常的五颜六色摄像机却并不是这样的,下面别离进行介绍: 

是非摄像机,每个像素点对应一个像元,该像元关于各种波长的光具有较一起的灵敏度,收集得到的仅仅每个像素点的灰度值。 

选用BAYER转化的单片五颜六色摄像机,这种摄像机的每个像素点实践只对应R、G、B三种之一的像元,R、G、B三种像元按必定的规则摆放,咱们实践所得到的每个像素点的R、G、B三原色的数值是依据该像素点及其周围若干点的三色数值进行BAYER插分核算而来的,所以这种摄像机所得到的图画通常不能得到极好的五颜六色作用,特别是对应边际方位会有较显着的颜色失真和细节的丢掉。当前咱们常见的五颜六色摄像机通常是这种方法的,其报价和同层次的是非摄像机附近。 
BAYER五颜六色摄像机原理图 

3CCD五颜六色摄像机,这种摄像机每个像素点对应有R、G、B三个感光元件,选用分光棱镜将入射光线别离折射到三个CCD靶面上,别离进行光电变换得到R、G、B三色的数值(见下图)。这种摄像机得到的图画质量好,没有细节丢掉的疑问,但因为摄像机布局杂乱,所以通常较贵重。别的因为这种摄像机选用了分光棱镜的方法,光线抵达每个CCD靶面的光程是不一样的,所以需求镜头做针对性的规划才干抵达对比好的图画作用,所以运用3CCD的摄像机还需求装备专用的镜头。       
3CCD五颜六色摄像机原理图 

2、线阵摄像机 

线阵摄像机是一种对比特别的方法,其像元是一维线状摆放的,即只需一行像元,每次只能收集一行的图画数据,只需当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才干得到咱们往常看到的二维图画。所以在机器视觉体系中通常用于被测物接连运动的场合,特别适合于运动速度较快、分辨率需求较高的状况。 

是非摄像机,也是最常用的线阵摄像机,每个像素点对应一个像元,收集得到的是灰度图画。 

3Line五颜六色摄像机,该摄像机的具有R、G、B三行像元,别离对红、绿、兰三种波长的光灵敏,所以每个像素点都会对应R、G、B三个通道的数值,构成五颜六色的图画数据。需求注意的是,因为R、G、B三行像元在同一时刻所收集的并非同一方位的信息(见图),在实践运用中需求进行运动校对才干得到所需的五颜六色图画。通常的摄像机都供给内部进行运动校对处置的功用,但关于对比度十分高的图画边际仍是简单呈现颜色失真的表象。      

3CCD五颜六色摄像机,与面阵的3CCD摄像机原理一样,选用分光棱镜将入射光线别离折射到三个CCD靶面上,别离进行光电变换得到R、G、B三色的数值。图画质量好,但需装备专用镜头。  

工业摄像机主要参数: 

1.分辨率(Resolution):相机每次收集图画的像素点数(Pixels),关于数字相机机通常是直接与光电传感器的像元数对应的,关于模仿相机机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480。 

2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,通常常用的是8Bit,关于数字相机机通常还会有10Bit、12Bit等。 

3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):相机机收集传输图画的速率,关于面阵相机机通常为每秒收集的帧数(Frames/Sec.),关于线阵相机机为每秒收集的行数(Hz)。 

4. 曝光方法(Exposure)和快门速度(Shutter):关于线阵相机机都是逐行曝光的方法,能够挑选固定行频和外触发同步的收集方法,曝光时刻能够与行周期一起,也能够设定一个固定的时刻;面阵相机机有帧曝光、场曝光和翻滚行曝光等几种常见方法,数字相机机通常都供给外触发采图的功用。快门速度通常可到10微秒,高速相机机还能够更快。 

5. 像元尺度(Pixel Size):像元巨细和像元数(分辨率)一起决议了相机机靶面的巨细。当前数字相机机像元尺度通常为3μm-10μm,通常像元尺度越小,制作难度越大,图画质量也越不简单进步。 

6. 光谱呼应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不一样光波的灵敏特性,通常呼应规模是350nm-1000nm,一些相机机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,假如体系需求对红外感光时可去掉该滤镜。  

对数字相机而言还有如下参数: 

7.增益:又名作对比度,它主要是界说信号的扩大倍数,增益越大细节越明晰,但噪声也越大,增益越小细节越含糊,噪声也越小。 

8.白平衡:它通常运用在五颜六色图画中,在五颜六色图画中通常运用三基色表明,三基色信号别离经过各自的通道进行扩大、滤波、数模变换。因为种种原因,三个通道不可能彻底平衡,因而在复原图画时会发现五颜六色失真,因而有必要进行调整,使三个通道抵达平衡,处置的进程即是将已知的是非信号作为信号源,以一个同路的数据作为基准,别离核算另两个通道的数据使其等于基准通道的数据,核算准则是三个通道的数据应持平,核算后得到三个通道的系数,在实践运用中,将三个系数别离与对应通道数据相乘,这样经白平衡获取的图画就会减小五颜六色失真。 

工业相机的开展趋势: 

1、数字相机最终将替代传统模仿相机 2、CMOS芯片最终将替代传统CCD芯片 3、CAMERALINK数字接口技术将盛行 4、FIREWIRE数字接口收集卡将被广泛运用 5、专业的机器视觉专用相机将变成开展趋势 .

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