機器視覺基本概念學習筆記2

2、相機

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 Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）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。

下圖為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。

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，下圖為目前廣泛采用的三相電極傳送方式。

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，與其對應的就是線陣（線掃描）相機和面陣（面掃描）相機。圖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。圖中左側(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，而在下圖中左側(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。

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，下圖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。

![圖片]

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768×576有效像素的圖像輸出，支持RS-170（EIA）制式的相機能夠提供640×480有效像素的圖像輸出，比較常見的百萬像素相機可以提供1280 × 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)。下圖所示的一些常見面陣CCD芯片尺寸，通常都會以英寸表示，圖中分別對應了其實際尺寸。

常見面陣CCD芯片尺寸

頻譜響應特性是另外一個重要的光學參數(shù)。圖中所示的實線是典型CCD芯片的頻譜響應。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。假如有一些應用需要對近紅外光（NIR）有高的頻譜響應來達到圖像效果，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。

常見CCD芯片頻譜響應曲線

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 filters），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。來源網(wǎng)絡，不知來源，講述機器視覺基礎(chǔ)知識。