常見機(jī)器視覺問題梳理

應(yīng)該怎樣選擇相機(jī)？

選擇相機(jī)卻往往刻不容緩的的問題擺在機(jī)器視覺工程師面前，因此，選擇相機(jī)了解以下幾個(gè)方面問題：

通常您首先需要知道系統(tǒng)精度要求和相機(jī)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?cái)?shù)量（ X方向）; Y方向系統(tǒng)精度（Y方向像素值）=視野范圍（Y方向）/CCD 芯片像素?cái)?shù)量（ Y方向）來獲得。

當(dāng)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(jī)成像速度，系統(tǒng)單次運(yùn)行速度=系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度+系統(tǒng)檢測(cè)速度，雖然系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度可以根據(jù)相機(jī)異步觸發(fā)功能、快門速度等進(jìn)行理論計(jì)算，最好的方法還是通過軟件進(jìn)行實(shí)際測(cè)試;再接著您要將相機(jī)與圖像采集卡一并考慮，因?yàn)檫@涉及到兩者的匹配：

視頻信號(hào)的匹配。對(duì)于黑白模擬信號(hào)相機(jī)來說有兩種格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同時(shí)支持這兩種相機(jī);

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(jī);

特殊功能的匹配。如要是用相機(jī)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(jī)同時(shí)拍照，這個(gè)采集卡就必須支持多通道，如果相機(jī)是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描;

接口的匹配。確定相機(jī)與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394等。最后才應(yīng)該是價(jià)格的比較。

什么是亞像素？

一般用分辨率這個(gè)名詞來描述CCD芯片上的行列數(shù)。實(shí)際上，CCD芯片是一個(gè)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(shí)間信號(hào)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(hào)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(gè)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10×10亞像素的圖像。一個(gè)典型的例子就是決定一個(gè)斑點(diǎn)的重心。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(gè)灰度級(jí)的一維圖像，如果灰度值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)剛好出現(xiàn)在像素的邊緣，那么容易確切得知道輪廓點(diǎn)的位置。但實(shí)際的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可能不在一個(gè)理想的級(jí)別，我們不能夠準(zhǔn)確得知道芯片上轉(zhuǎn)折點(diǎn)剪切像素的位置。另外更重要的，模糊的灰度級(jí)允許灰度級(jí)差值，因此我們就能夠決定亞像素的位置作為灰度級(jí)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。

什么是12位相機(jī)？我是否需要12位相機(jī)？

理論上12位相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是8位相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的16倍。一個(gè)8位的相機(jī)最高能夠檢測(cè)256個(gè)灰度級(jí)。一個(gè)12位相機(jī)有4096個(gè)灰度級(jí)。

由于相機(jī)是數(shù)字的，您不必測(cè)量到213.5625，或者說213或214。如果您需要檢測(cè)213和214灰度級(jí)之間的灰度級(jí)，8位相機(jī)的效果就很差。這時(shí)您就要用12位相機(jī)，它能提供16倍的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又能得到與8位相機(jī)相同的數(shù)據(jù)量。

CMOS相機(jī)與CCD相機(jī)間的區(qū)別有哪些？

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：

?。〤CD傳感器比CMOS傳感器對(duì)光更加敏感，這是因?yàn)镃CD往往比CMOS相機(jī)有更大的填充因子。如今采用微透鏡技術(shù)的CCD可以達(dá)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(duì)比度的場(chǎng)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(chǎng)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1280×1024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(shí)只能減少行分辨率，如640×1024（30幀/秒）、320×1024（60幀/秒）;而如果是CMOS傳感器，則可以選擇低于1280×1024的任何分辨率，如640×480（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(diǎn)很明顯，隨著兩者技術(shù)的進(jìn)步，在同檔次的相機(jī)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。

CCD是數(shù)字器件？　　

雖然CCD與許多數(shù)字器件一樣用到時(shí)鐘，但是光的采集和輸出是以模擬形式進(jìn)行的。輸入CCD的時(shí)鐘用于從光敏器件轉(zhuǎn)移電荷到輸出放大器上。輸出信號(hào)是模擬的，必須被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被計(jì)算機(jī)處理。

模擬輸出相機(jī)與數(shù)字輸出相機(jī)之間的區(qū)別是什么？

模擬相機(jī)的視頻輸出是用模擬電信號(hào)傳輸視頻信號(hào)，這種相機(jī)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(jī)其內(nèi)部有一個(gè)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(jī)可以避免傳輸過程的圖像衰減或噪聲。

我應(yīng)該選擇何種輸出接口的相機(jī)？

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(jī)（對(duì)單色圖像需求就是CCIR或RS-170制式輸出，對(duì)彩色圖像需求就是PAL或NTSC制式輸出）。如果您需要將相機(jī)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：

ⅰ）模擬接口仍然可以適用，圖像信號(hào)需要一張圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，這樣的搭配價(jià)格最低因而是最常見的。

ⅱ）對(duì)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 （Fire Wire）最為方便。

ⅲ） Camera Link接口是一種數(shù)字輸出標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)或線掃描相機(jī)，隨著該數(shù)字接口的推廣和完善，價(jià)格也不如預(yù)期的那樣昂貴。ⅳ）此外，也有一些老一點(diǎn)的數(shù)字接口仍然再被使用，比如 LVDS RS644。

什么是垂直同步、彩色視頻復(fù)合信號(hào)同步、外同步、直流線鎖定和完全同步？

這是攝像機(jī)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(jī)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(jī)，通過垂直驅(qū)動(dòng)頻率來保證視頻能夠采用老式的切換期或者四分割機(jī)器，在同一個(gè)監(jiān)視器上顯示幾個(gè)影像源。垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常由重復(fù)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(fù)合信號(hào)代表視頻和彩色觸發(fā)信號(hào)，意味著攝像機(jī)能和外部的復(fù)合彩色視頻信號(hào)同步。

然而盡管稱作彩色視頻復(fù)合信號(hào)同步，實(shí)際上只進(jìn)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(fù)合信號(hào)同步。一個(gè)攝像機(jī)能夠同步于另一個(gè)攝像機(jī)的視頻信號(hào)，一個(gè)外同步攝像機(jī)能使用輸入的彩色視頻復(fù)合信號(hào)，提取水平和垂直同步信號(hào)來做同步。

多數(shù)相機(jī)具有垂直驅(qū)動(dòng)同步或者彩色視頻復(fù)合信號(hào)/外同步性能，但是由于監(jiān)控?cái)z像機(jī)永遠(yuǎn)不需要線鎖定，因此閉路監(jiān)控?cái)z像機(jī)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(jī)。因?yàn)橹绷?4伏電源廣泛使用于多數(shù)建筑物防火警報(bào)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(hào)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(jī)之間的同步非常必要，直流線鎖定就是攝像機(jī)同步于交流50/60赫茲，彩色信道之間時(shí)間的關(guān)聯(lián)和水平/垂直信號(hào)沒有約束會(huì)導(dǎo)致糟糕的色彩轉(zhuǎn)換（色彩階段設(shè)計(jì)），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(yùn)的是，現(xiàn)在的分割器和16通道復(fù)合處理器以及硬盤錄像機(jī)都有內(nèi)部記憶體來克服這個(gè)問題，不再需要同步信號(hào)，因此交流線鎖定可能若干年后會(huì)被淘汰掉。

什么是電子快門？為什么有些CCD沒有電子快門功能？

只要有光照，CCD光敏部分就會(huì)產(chǎn)生電子。由于像素必須被讀出，如果讀出需要很長時(shí)間，圖像就會(huì)變差。這與使用慢速快門拍攝運(yùn)動(dòng)物體的原理一樣。通常在讀出時(shí)間內(nèi)中止信號(hào)產(chǎn)生。然而，關(guān)掉光照就需要某種形式的機(jī)械快門或者電子快門。有些CCD設(shè)計(jì)為只要信號(hào)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(hào)產(chǎn)生就會(huì)中止，CCD就能夠沒有干擾的讀出。這種快速傳送到保護(hù)區(qū)域就稱作電子快門，因?yàn)槔秒娮涌刂菩盘?hào)產(chǎn)生時(shí)間。

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

硅對(duì)光的敏感度的確超過1100nm，然而，為什么CCD不能夠檢測(cè)到這些波長的原因是有些復(fù)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(hào)。被硅吸收的光能量取決于波長。

藍(lán)光能夠被硅高度吸收，而大多數(shù)的光實(shí)際上是被CCD上的多個(gè)硅溝吸收。結(jié)果，只有一小部分的藍(lán)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。

編輯：黃飛