視覺傳感器幾大技術(shù)要點：技術(shù)分類、技術(shù)實現(xiàn)和應(yīng)用、選擇技巧

視覺傳感技術(shù)是傳感技術(shù)七大類中的一個，視覺傳感器是指：通過對攝像機拍攝到的圖像進行圖像處理，來計算對象物的特征量（面積、重心、長度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。

什么是視覺傳感器？

視覺傳感器是整個機器視覺系統(tǒng)信息的直接來源，主要由一個或者兩個圖形傳感器組成，有時還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機器視覺系統(tǒng)要處理的最原始圖像。

圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣和面陣CCD攝像機或者TV攝像機，也可以是最新出現(xiàn)的數(shù)字攝像機等。

視覺傳感技術(shù)分類
1、3D視覺傳感技術(shù)
3D視覺傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機、網(wǎng)絡(luò)攝像、數(shù)碼相機、機器人視覺導(dǎo)航、汽車安全系統(tǒng)、生物醫(yī)學像素分析、人機界面、虛擬現(xiàn)實、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無線遠距離傳感、顯微鏡技術(shù)、天文觀察、海洋自主導(dǎo)航、科學儀器等等。這些不同的應(yīng)用均是基于3D視覺圖像傳感器技術(shù)。特別是3D影像技術(shù)在工業(yè)控制、汽車自主導(dǎo)航中具有急迫的應(yīng)用。

2、智能視覺傳感技術(shù)
智能視覺傳感技術(shù)下的智能視覺傳感器也稱智能相機，是近年來機器視覺領(lǐng)域發(fā)展最快的一項新技術(shù)。智能相機是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統(tǒng)，是一種嵌入式計算機視覺系統(tǒng)。它將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他外設(shè)集成到一個單一的相機內(nèi)，由于這種一體化的設(shè)計，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并提高可靠性。同時系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

智能視覺傳感器的易學、易用、易維護、安裝方便，可在短期內(nèi)構(gòu)建起可靠而有效的視覺檢測系統(tǒng)等優(yōu)點使得這項技術(shù)得到飛速的發(fā)展。

視覺檢測系統(tǒng)原理圖

視覺傳感技術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)
視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機、光學系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集卡組成，將光學影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，傳遞給圖像處理單元。通常使用的圖像傳感器件主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩種。下面將介紹兩種傳感器的實現(xiàn)原理及優(yōu)缺點。

視覺傳感技術(shù)的應(yīng)用
1、汽車車身視覺檢測系統(tǒng)
車身成型是汽車制造的關(guān)鍵工序之一，對車身的各項指標要求嚴格，需對車身進行100%的檢測。傳統(tǒng)的車身檢測方法是利用三坐標測量機，其操作復(fù)雜，速度慢，工期長，只能進行抽檢。
通常，車身的關(guān)鍵尺寸主要是擋風玻璃尺寸、車門安裝處棱邊位置、定位孔位置等。因此視覺傳感器分布于這些位置附近，測量其相應(yīng)的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。在生產(chǎn)線上設(shè)計測量工位，車身定位后，置于一框架內(nèi)，框架由縱橫分布的金屬柱、桿構(gòu)成，可根據(jù)需要在框架上靈活安裝視覺傳感器。根據(jù)測量點的數(shù)量可安裝相應(yīng)數(shù)量的視覺傳感器，（通常情況下每個視覺傳感器測量一個被測點），根據(jù)不同形式的傳感器包括雙目立體視覺傳感器、輪廓傳感器等多種類型。

測量系統(tǒng)工作過程為：由生產(chǎn)線運送車身到測量工位進行準確定位，然后傳感器按要求順序開始工作，計算機采集檢測點圖像并進行處理，計算出被測點的空間三維坐標，計算值與標準值比對，得出檢測結(jié)果，并將車身送出測量工位。

視覺測量系統(tǒng)工作原理圖

2、鋼管直線度、截面尺寸在線視覺測量系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，無縫鋼管是一類重要的工業(yè)產(chǎn)品，而它的質(zhì)量參數(shù)則是制造的重要數(shù)據(jù)，其中鋼管的直線度及截面積是主要的幾何參數(shù)，是控制無縫鋼管制造質(zhì)量的關(guān)鍵，但由于以下原因使得參數(shù)的測量成為難題：（1）無縫鋼管采取非接觸式測量，且制造現(xiàn)場環(huán)境惡劣；（2）無縫鋼管的空間尺寸大，這也要求檢測系統(tǒng)具備很大的測量空間。視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述問題，視覺傳感技術(shù)采用的是非接觸式測量且測量范圍大。
測量系統(tǒng)由多個結(jié)構(gòu)光傳感器組成，傳感器上結(jié)構(gòu)光投射器投射的光平面和被測鋼管相交，得到鋼管截面圓周上的部分圓弧，傳感器測量部分圓弧在空間中的位置。系統(tǒng)中每一個傳感器實現(xiàn)一個截面上部分圓弧的測量，通過適當?shù)臄?shù)學方法，由圓弧擬合得到截面尺寸和截面圓心的空間位置，由截面圓心分布的空間包絡(luò)，得到直線度參數(shù)。測量系統(tǒng)在計算機的控制下，可在數(shù)秒內(nèi)完成測量，滿足實時性要求。

3、三維形貌視覺測量

在三維形貌數(shù)字化測量技術(shù)是逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、管理及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。它所實現(xiàn)三維形貌數(shù)字化測量的機理是將視覺非接觸、快速測量和最新的高分辨力數(shù)字成像技術(shù)相結(jié)合。由于所測量的物體多是大型、具有復(fù)雜表面的物體，測量通常分為局部三維信息獲取和整體拼接兩部分，先利用視覺掃描傳感器對被測形貌各個局部區(qū)域進行測量，再采用拼接技術(shù)將各部分形貌進行拼接最終得到完整圖像。

這項傳感器的視覺掃描測頭采用局域雙目立體視覺測量原理設(shè)計。形貌整體拼接實質(zhì)上是將所采集到的數(shù)據(jù)放到公共坐標上，這樣就能得到整體的數(shù)據(jù)描述。通過高分辨率數(shù)碼相機從測量空間的上方以不同的角度和位置對被測量進行數(shù)據(jù)收集，運用光束定向交匯平差原理得到控制點空間坐標并建立全局坐標系，最后通過各個坐標系進行關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)拼接。

視覺源于生物界獲取外部環(huán)境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的，基于這一啟發(fā)研究人員開始為機械安裝“眼睛”使得機器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息，由此誕生了一門新興學科——計算機視覺，人們通過對生物視覺系統(tǒng)的研究從而模仿制作機器視覺系統(tǒng)，盡管與人類視覺系統(tǒng)相差很大，但是這對傳感器技術(shù)而言是突破性的進步。

視覺傳感器技術(shù)的實質(zhì)就是圖像處理技術(shù)，通過截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現(xiàn)在研究人員的面前。視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了其他傳感器因場地大小限制或檢測設(shè)備龐大而無法操作的問題，由此廣受工業(yè)制造界的歡迎。

如何選擇視覺傳感器？

目前，如何選擇機器視覺傳感器在當代的應(yīng)用可謂是越來越廣泛，如何選擇機器視覺傳感器是值得我們好好學習的，現(xiàn)在我們就深入了解如何選擇機器視覺傳感器。

相機是機器視覺系統(tǒng)的眼睛，而相機的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺系統(tǒng)的成本以及對應(yīng)用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

大多數(shù)的機器視覺系統(tǒng)的用戶認識到相機是系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當作視覺系統(tǒng)的“芯片”。相機本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)：包括鏡頭、信號處理器、通訊接口，以及最核心的部分——把光子轉(zhuǎn)換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來支持相機的功能，傳感器最終決定相機的最高性能。

業(yè)內(nèi)的許多討論都集中在加工技術(shù)上，以及CMOS和CCD傳感器孰優(yōu)孰劣。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢和不足之處，所加工的傳感器有著不同的性能。最終用戶關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來的，而是其在最終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

在指定的應(yīng)用中，三個關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度。動態(tài)范圍決定系統(tǒng)能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱作對細節(jié)的體現(xiàn)能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少張圖像和系統(tǒng)能夠接收到的圖像的輸出量。響應(yīng)度指的是傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率，它決定系統(tǒng)需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設(shè)計共同決定上述特征，因此系統(tǒng)開發(fā)人員在選擇傳感器時必須有自己的衡量標準，詳細的研究這些特征，將有助于做出正確的判斷。

正確理解動態(tài)范圍

傳感器的動態(tài)范圍是最容易使人疑惑和誤解的地方，這是因為機器視覺系統(tǒng)是數(shù)字的。圖像的動態(tài)范圍包括兩部分：一是傳感器能夠工作的曝光范圍（亮度的倍數(shù)）；其次是傳感器能夠數(shù)字化像素信號的電平的數(shù)量，用位數(shù)表示。這兩部分通常是緊密相關(guān)的。

曝光的動態(tài)范圍表示傳感器能夠正常工作的亮度水平。當光子撞擊圖像傳感器的活動像素區(qū)域時產(chǎn)生電子，傳感器將其捕獲并存儲起來以備系統(tǒng)讀取。撞擊活動區(qū)域的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的電子數(shù)就越多，在讀取的間隔中，該過程持續(xù)的時間越長，被存儲的電子就越多。決定傳感器曝光動態(tài)范圍的參數(shù)之一就是填充存儲阱的曝光。制造傳感器的半導(dǎo)體加工工藝和電路設(shè)計共同決定阱的容量或深度。

電子噪音是傳感器能夠工作的最低曝光水平，盡管沒有任何光子撞擊活動的像素區(qū)域，圖像傳感器也將以熱量發(fā)射的形式產(chǎn)生電子。要產(chǎn)生可識別的信號，必須有足夠的光子撞擊活動的像素區(qū)域，以便在存儲阱中有比暗電流噪音所產(chǎn)生的電子數(shù)更多的電子。傳感器的最低曝光率是產(chǎn)生至少與噪音電子同樣多的光電子數(shù)。只有在超過噪音等量的曝光水平時，傳感器才能產(chǎn)生有用的信息。

傳感器的曝光動態(tài)范圍是由其物理和電路設(shè)計所決定的功能，而數(shù)字動態(tài)范圍只是由電路設(shè)計所決定的功能。圖像傳感器的數(shù)字動態(tài)范圍只是說明它能夠提供給視覺系統(tǒng)的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個灰度級，10位的有1024個，以此類推。表示動態(tài)范圍的位數(shù)并不是反映傳感器能夠響應(yīng)的最高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對應(yīng)的。

比暗電流噪音水平小的等量的信號度不能產(chǎn)生有用的信息，類似地，如果數(shù)字化值大于傳感器的最大信號值，也不會產(chǎn)生額外的信息。在實踐中，傳感器需要設(shè)計成等量信號度與暗電流噪音水平等值，并有足夠信號步進度達到飽和的曝光信號水平。按此方式設(shè)計，傳感器的數(shù)字動態(tài)范圍與其曝光動態(tài)范圍說明的是同一事物：飽和等量曝光與噪音等量曝光的比率。

交互作用決定取舍

傳感器的動態(tài)范圍一定程度上決定機器視覺系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，位數(shù)越高，系統(tǒng)能夠分辨的圖像的細節(jié)就越細微。對更低的暗電流噪音和高精度的需求的日益提高，使傳感器的成本變得越來越昂貴。然而，不是所有的應(yīng)用都需要精細的圖像。因此，設(shè)計師們設(shè)計了不同動態(tài)范圍的傳感器供選擇。例如，郵包分揀或電子生產(chǎn)檢查，8位的動態(tài)范圍就可以有效地工作。但是，醫(yī)療和空中偵察就需要14位的動態(tài)范圍。

應(yīng)用需求還對傳感器的第二項特征速度提出了要求

速度是比動態(tài)范圍更直觀的特征，它只是衡量傳感器采集和傳送圖像到系統(tǒng)的速度有多快。傳感器的速度也包括兩個方面：一個是幀頻，也就是傳感器傳送像素數(shù)據(jù)到系統(tǒng)所需要的時間。另外就是傳感器為了采集一幅有用的圖像所需的曝光時間。幀頻永遠都不會比曝光時間快，因此幀頻是用來說明傳感器性能的通用量值。

在加工檢查類的應(yīng)用中，傳感器的速度決定系統(tǒng)的輸出。如果每一幅圖像代表待檢的一個零件，那么系統(tǒng)每秒能夠檢查的零件數(shù)量不會高于傳感器每秒能夠發(fā)送的幀數(shù)。當成像的物體處于運動狀態(tài)時，為防止出現(xiàn)圖像模糊，必須要求高的采集速度。因此對于高輸出量的檢測系統(tǒng)和對高速運動物體的成像應(yīng)用需要高速的傳感器。

速度和動態(tài)范圍是相互關(guān)聯(lián)的，為了快速地傳送圖像，傳感器必須快速地對每一個像素的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化。這就意味著模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器需要快速地形成一個穩(wěn)定的輸出。

從物理層面和設(shè)計角度上講，速度應(yīng)該讓步于動態(tài)范圍。電路運行的速度越快，產(chǎn)生的熱量就越多。傳感器的暗電流噪音隨著溫度的增加而增加，因此傳感器的速度越高，其噪音就越大，動態(tài)范圍就越低。高速的傳感器比低速的傳感器的噪音更大，而且能提供的動態(tài)范圍更低。

傳感器的速度與其第三項特征響應(yīng)度也是相關(guān)聯(lián)的

應(yīng)用中所需的幀頻越高，用于曝光的時間就越少。為了減少曝光時間，設(shè)計師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應(yīng)度的傳感器。

響應(yīng)度是指在給定的曝光條件下，所產(chǎn)生的信號的強度（V）。在圖像傳感器中，有三個因素控制響應(yīng)度：第一是量子的效率，或者說是每個光子所產(chǎn)生的電子的數(shù)量。第二個要素是存儲電荷（q）的傳感器輸出電路的電容（C）的大小，電荷的信號電壓公式是V=q/C。第三個要素是傳感器的輸出放大器增益。如果傳感器在與噪音等量的曝光水平下運行時，增益本身并不能提高傳感器的響應(yīng)度。

開發(fā)人員在為他們的機器視覺系統(tǒng)選購傳感器時，必須在動態(tài)范圍，速度和響應(yīng)度這三個關(guān)鍵要素之間做出取舍。高速度和低光照度將導(dǎo)致噪音增加并降低動態(tài)范圍。在動態(tài)范圍允許的情況下，對成像細節(jié)的高要求也需要提高光照強度以彌補較低的響應(yīng)度。傳感器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項關(guān)鍵要素之間做出平衡。

以上提到的三項關(guān)鍵要素并不是構(gòu)成傳感器選擇的唯一考量，另外還有兩項重要的因素：傳感器的分辨率和像素間距，其中任何一項都能夠影響圖像的質(zhì)量，并且與上述三項關(guān)鍵要素相互作用。

分辨率是指由多少個像素構(gòu)成一幅圖像，它是反映傳感器尺寸和像素間距的量值。應(yīng)用所需要的傳感器的分辨率決定于幾項相關(guān)的要素：包括視野、工作距離、傳感器大小和像素間距以及系統(tǒng)所要求的采集空間細節(jié)所需的像素的數(shù)量等。傳感器的分辨率越高，其時鐘必須運行得越快，以獲得需要的幀頻。因此，傳感器的分辨率對速度有非常大的影響。

像素間距定義單個像素區(qū)域的大小，與傳感器的大小共同作用來決定傳感器的分辨率。由于傳感器通常只有有限的大小可選，所以像素的間距越小，其分辨率就越高。像素間距能夠影響響應(yīng)度，但是間距越小，每個像素能夠采集光子的活動區(qū)域就越小。

最終，所有這些傳感器的要素都要與相機的其它部件相互影響。相機鏡頭的分辨率是通過調(diào)制解調(diào)函數(shù)（MTF）來衡量的，例如，鏡頭的分辨率必須與傳感器的像素間距相匹配，才能獲得理想的成像質(zhì)量。在傳感器分辨率允許的范圍內(nèi)，一個5微米MTF的鏡頭在3微米的像素間距的傳感器上所成的黑白線模式只能形成灰色的圖像。因此，在選購傳感器時必須采購與之匹配的其它系統(tǒng)部件。

最重要的一點是要充分理解應(yīng)用對傳感器動態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度的需求。需求決定哪些性能是在可接受的范圍之內(nèi)，最終決定系統(tǒng)的其它部件的要求。

總結(jié)：視覺傳感器作為數(shù)字圖像處理的核心部件，相信隨著新材料、3D打印和人工智能等技術(shù)的突破，未來將會在更多領(lǐng)域大放異彩。