機(jī)器視覺(jué)算法與應(yīng)用-攝像機(jī)

機(jī)器視覺(jué)算法(suànfǎ)與應(yīng)用

----攝像機(jī)制作(zhìzuò)人：康照川精品資料攝像機(jī)的簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)攝像機(jī)是機(jī)器視覺(jué)(shìjué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件其功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為有序的電信號(hào)，并生成需要的圖像。攝像機(jī)又稱(chēng)工業(yè)相機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力。攝像機(jī)中最重要的部件就是數(shù)字傳感器。精品資料攝像機(jī)的分類(lèi)(fēnlèi)按照(ànzhào)芯片結(jié)構(gòu)分類(lèi)：CCD相機(jī)，CMOS相機(jī)。按照(ànzhào)傳感器結(jié)構(gòu)分類(lèi)：面陣相機(jī)，線陣相機(jī)。按照(ànzhào)傳輸模式分類(lèi)：模擬相機(jī)，數(shù)字相機(jī)。按照(ànzhào)成像情況分類(lèi)：彩色相機(jī)，黑白相機(jī)。精品資料攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)工業(yè)(gōngyè)相機(jī)相機(jī)簡(jiǎn)單示意圖精品資料CCD傳感器CCD傳感器--電子耦合組件（chargedcoupleddevice）,是由光線敏感的光電探測(cè)器組成(zǔchénɡ)。曝光時(shí)，光電探測(cè)器累積電荷通過(guò)轉(zhuǎn)移門(mén)電路，電荷被轉(zhuǎn)移至串行讀出寄存器從而讀出。讀出的過(guò)程是將電荷轉(zhuǎn)移至電荷轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換單元將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓放大。電壓放大后就可以轉(zhuǎn)換為模擬或者數(shù)字視頻信號(hào)。

精品資料CCD傳感器你可以(kěyǐ)將CCD傳感器想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭的后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過(guò)、投射到CCD表面時(shí)，CCD就會(huì)產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料存儲(chǔ)在相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡內(nèi)。CCD像素的數(shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。精品資料CCD傳感器的種類(lèi)(zhǒnglèi)CCD傳感器分為(fēnwéi)線陣傳感器和面陣傳感器。面陣傳感器分為(fēnwéi)全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器、幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器和隔列轉(zhuǎn)移型面陣傳感器。精品資料線陣傳感器線陣傳感器只能生成高度為1行的圖像，在實(shí)際中有限(yǒuxiàn)。因此常通過(guò)多行組成二維圖像。為了得到有效的圖像，線陣傳感器必須相對(duì)于被測(cè)物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。精品資料相機(jī)(xiàngjī)運(yùn)動(dòng)被測(cè)物不動(dòng)精品資料相機(jī)(xiàngjī)不動(dòng)被測(cè)物動(dòng)精品資料線陣相機(jī)注意(zhùyì)的問(wèn)題傳感器本身必須與被測(cè)物平面平行并與運(yùn)動(dòng)方向垂直以保證得到矩形像素。線采集頻率必須與攝像機(jī)和被測(cè)物之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相匹配以得到方形像素。如果運(yùn)動(dòng)速度是變化的，就需要編碼器來(lái)觸發(fā)傳感器來(lái)采集每行圖像。相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)來(lái)產(chǎn)生。線傳感器的讀出速度在14-140kHz之間，會(huì)限值每一行的曝光時(shí)間，所以需要很強(qiáng)的照明。精品資料全幀轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器在這里光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)換為電荷，在未曝光期間電荷按行的順序轉(zhuǎn)移到串行讀出電路寄存器，然后(ránhòu)與線陣傳感器的方式一樣轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。Output(Amplifier)Serialreadoutregister精品資料全幀轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器優(yōu)點(diǎn)：填充因子(像素光敏感區(qū)域與整個(gè)靶面之比)可以達(dá)到非常高，甚至達(dá)到100%。這樣傳感器靈敏度非常大，圖像失真最小。缺點(diǎn)：由于傳輸和讀出使用的時(shí)鐘相同，由于上面的像素要經(jīng)過(guò)下面(xiàmian)的像素移出，因此傳感器上面的部分曝光時(shí)間比下面(xiàmian)的長(zhǎng)，這會(huì)造成拖影（Smear）現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須使用機(jī)械快門(mén)或閃光燈。精品資料全幀轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器有拖影的圖片(túpiàn)

無(wú)拖影的圖片精品資料幀轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器這個(gè)是為了解決全幀轉(zhuǎn)移型傳感器的拖影問(wèn)題，全幀轉(zhuǎn)移型傳感器加上另外的傳感器用于存儲(chǔ)，這個(gè)傳感器上有金屬光屏蔽層。這種類(lèi)型的傳感器，圖像產(chǎn)生(chǎnshēng)于光敏傳感器，然后轉(zhuǎn)移至有光屏蔽層的存儲(chǔ)陣列，在空閑時(shí)讀出。LightsensitiveCCD-sensorShieldedmemoryareaReadoutregister...............................精品資料幀轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器優(yōu)點(diǎn)：其填充因子可達(dá)100%，圖像失真化最小，而且不需要機(jī)械快門(mén)或閃光燈。在曝光時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，拖影現(xiàn)象比全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器小很多。缺點(diǎn)：由于(yóuyú)需要兩個(gè)傳感器，因此成本非常高應(yīng)用：鑒于高靈敏度和拖影等特征上面兩種傳感器通常用于像天文等曝光時(shí)間比讀出時(shí)間長(zhǎng)的科學(xué)研究領(lǐng)域。精品資料隔列轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器如果所示，這種傳感器還有一個(gè)帶有不透明的金屬屏蔽層的垂直轉(zhuǎn)移寄存器，圖像(túxiànɡ)曝光后，累積到電荷通過(guò)傳輸門(mén)電路轉(zhuǎn)移到垂直傳輸寄存器，電荷通過(guò)垂直傳輸寄存器移至串行讀出寄存器，經(jīng)過(guò)放大，最后形成視頻信號(hào)。精品資料隔列轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間約為1us，因此完全不存在拖影（Smear）現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)移時(shí)間非常短，因此不需要使用機(jī)械快門(mén)或閃光燈缺點(diǎn)：由于屏蔽區(qū)占用了Sensor的部分(bùfen)面積，因此使得此種傳感器填充因子只能在20%~70%，圖像失真會(huì)增加。精品資料隔列轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)型面陣傳感器為了增大填充因子，常利用在傳感器上加上微鏡頭(jìngtóu)來(lái)使光聚焦至光敏光電二極管。但是填充因子還是難以達(dá)到100%精品資料模擬(mónǐ)CCD攝像機(jī)的讀出模式隔行掃描(ɡéxínɡsǎomiáo)逐行掃描精品資料CMOS傳感器精品資料CMOS傳感器與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷(diànhè)不是順序的轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，CMOS的每一行都可以通過(guò)行列選擇電路直接選擇并讀出。這方面CMOS傳感器可以當(dāng)作隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。CMOS每個(gè)像素都有一個(gè)自己的獨(dú)立放大器。因此也稱(chēng)作主動(dòng)像素傳感器。精品資料CMOS傳感器優(yōu)點(diǎn)：具有單獨(dú)的選擇轉(zhuǎn)換電路，讀出速度快。CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其很容易實(shí)現(xiàn)圖像矩形感興趣區(qū)域的讀出。可以實(shí)現(xiàn)并行(bìngxíng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有較高的幀率。缺點(diǎn)：因?yàn)榉糯笃饕约靶辛羞x擇電路占每個(gè)像素的大部分面積，導(dǎo)致其填充因子很低。精品資料CMOS傳感器讀出方式(fāngshì)行曝光(bàoguāng)全局曝光上述兩個(gè)圖片都是對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體。行曝光使物體發(fā)生形變，全局曝光適用于拍攝運(yùn)動(dòng)的物體精品資料CCDvsCMOS精品資料彩色(cǎisè)攝像機(jī)黑白相機(jī)直接將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機(jī)能獲得景物中紅、藍(lán)、綠三個(gè)分量的光信號(hào)，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的圖像信息(xìnxī)。目前彩色相機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種，棱鏡分光法和Bayer濾波法。精品資料光譜響應(yīng)(xiǎngyìng)曲線精品資料由圖光譜響應(yīng)曲線可以看出，CCD和CMOS傳感器對(duì)于近紫外200nm到可見(jiàn)光380-780nm直到近紅外1100nm波長(zhǎng)范圍都有響應(yīng)。所以無(wú)法產(chǎn)生彩色圖像。為了(wèile)產(chǎn)生彩色圖像需要在傳感器前面加上彩色濾鏡陣列（CFA），使一定范圍的光達(dá)到每個(gè)光電探測(cè)器。精品資料棱鏡(léngjìng)分光法棱鏡分光彩色相機(jī)(xiàngjī)，利用光學(xué)透鏡將入射光學(xué)的R、G、B分量分離，在三片傳感器上分別將三種顏色的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行合成，得到彩色圖像。精品資料Bayer濾波(lǜbō)法Bayer濾波彩色相機(jī)，是在傳感器像元表面按照Bayer馬賽克規(guī)律增加RGB三色濾光片，輸出信號(hào)時(shí)，像素RGB分量值是由其對(duì)應(yīng)像元和其附近仙緣共同獲得的。由于人眼對(duì)綠色最為敏感，所以濾鏡陣列中綠色采樣頻率(pínlǜ)是其他的兩倍。精品資料Bayer濾波(lǜbō)法精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)1.分辨率分辨率是相機(jī)最基本(jīběn)的參數(shù)，由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：1920（H）x1080(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1920個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行?，F(xiàn)在相機(jī)的分辨率通常表示多少K，如1K（1024），2K(2048),3K(4096)等。在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)2.速度（幀頻/行頻）相機(jī)的幀頻/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常面陣相機(jī)用幀頻表示，單位fps（FramePersecond），如30fps,表示相機(jī)再1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線陣相機(jī)通常用行頻便是單位KHz,如12KHz表示相機(jī)1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。速度是相機(jī)的重要參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中很多時(shí)候需要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體成像。相機(jī)的速度需要滿足一定要求，才能清晰準(zhǔn)確的對(duì)物體成像。相機(jī)的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設(shè)計(jì)最高速度則主要(zhǔyào)是由芯片所能承受的最高時(shí)鐘決定。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)3.噪聲相機(jī)的噪聲是指成像過(guò)程中不希望被采集到的，實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。根據(jù)歐洲相機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288中，定義的相機(jī)中的噪聲從總體上可分為兩類(lèi)：一類(lèi)(yīlèi)是由有效信號(hào)帶的符合泊松分布的統(tǒng)計(jì)漲落噪聲，也叫散粒噪（shotnoise）,這種噪聲對(duì)任何相機(jī)都是相同的，不可避免，尤其確定的計(jì)算公式。（就是：噪聲的平方=信號(hào)的均值）。第二類(lèi)是相機(jī)自身固有的與信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號(hào)處理與放大電路等帶來(lái)的噪聲，每臺(tái)相機(jī)的固有噪聲都不一樣。另外，對(duì)數(shù)字相機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)4.信噪比相機(jī)的信噪比定義為圖像中信號(hào)與噪聲的比值（有效信號(hào)平均(píngjūn)灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。CCD

工業(yè)相機(jī)的信噪比的典型值一般為

45---55dB

。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍表明相機(jī)探測(cè)光信號(hào)的范圍，動(dòng)態(tài)范圍可用兩種方法來(lái)界定(jièdìnɡ)，一種是光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍，指飽和時(shí)最大光強(qiáng)與等價(jià)于噪聲輸出的光強(qiáng)的比值，由芯片的特性決定。另一種是電子動(dòng)態(tài)范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。對(duì)于固定相機(jī)其動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)去，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動(dòng)態(tài)范圍大，則相機(jī)對(duì)不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)6.像元深度數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱(chēng)為像元深度。對(duì)于黑白相機(jī)這個(gè)值的方位通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對(duì)于8bit的相機(jī)0代表全暗而255代表全亮。介于(jièyú)0和25之間的數(shù)字代表一定的亮度指標(biāo)。10bit數(shù)據(jù)就有1024個(gè)灰階而12bit有4096個(gè)灰階。每一個(gè)應(yīng)用我們都要仔細(xì)考慮是否需要非常細(xì)膩的灰度等級(jí)。從8bit上升到10bit或者12bit的確可以增強(qiáng)測(cè)量的精度，但是也同時(shí)降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)7.光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)是指相機(jī)對(duì)于不同波長(zhǎng)光線的響應(yīng)能力，通常指其所采用芯片的光譜響應(yīng)。通常用光譜曲線表示，橫軸表示不同波長(zhǎng)，縱軸表示量子效率。按照響應(yīng)光譜不同也把相機(jī)分為可見(jiàn)光相機(jī)(400nm—1000nm，峰值在500nm—600nm之間)，紅外相機(jī)（響應(yīng)波長(zhǎng)在700nm以上），紫外相機(jī)（可以響應(yīng)到200nm—400nm的短波），我們需要根據(jù)接收(jiēshōu)被測(cè)物發(fā)光波長(zhǎng)的不同來(lái)選擇不同的光譜響應(yīng)的相機(jī)。精品資料相機(jī)(xiàngjī)的主要參數(shù)8.光學(xué)接口光學(xué)接口是指相機(jī)與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有C口，CS口，F(xiàn)口。下表提供了關(guān)于鏡頭安裝及后焦距的信息。其中M42鏡頭適配器源于高端攝像標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，相機(jī)的Z軸均依據(jù)所提供的適配器而進(jìn)行(jìnxíng)了優(yōu)化，一般情況下不要輕