机器视觉基本概念学习笔记2

2、相机

这里所说的相机主要指工业相机/摄像机，相比与民用的相机/摄像机它有高的图像稳定性、图像质量、传输能力和抗干扰能力等，因而价格也相比民用相机贵。以前的相机多是基于是显像管的。

如今，随着固体成像器件的发展，市面上大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初。90 年代初期，随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

相机按照芯片类型、传感器结构特性、扫描方式、分辨率大小、输出信号方式、输出色彩、输出信号速度、响应频率范围等有着不同的分类方法：按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机；按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机；按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机；按照输出色彩可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。

在下面的章节中，将以目前应用较普遍的CCD相机为主来介绍工业相机。用于数字图像处理的CCD相机一般由两部分组成：图像获取单元和图像输出单元。

图像获取

与显像管比较，CCD芯片由独立的光敏元件构成，每一个光敏元件表示一个像素，因此能够传输二维的离散图像。而且体积、重量都比较小，具有高动态、高线性，对机械、磁场、光影响不敏感。并且由于市场的大量生产，CCD相机也相对便宜一些。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。

下图为CCD实现光电转换的示意图,可以形象地喻为往井或桶内注水，因而半导体物理中用“势阱”的概念描述用来收集光激发电荷的积分区域，其中单个像素所能存储的最大光电荷量（不向其邻近像素溢出），也称为“满阱容量”。CCD的光敏单元收集光子与产生的电子数目有良好的线性关系，通常来说，2个光子产生一个电子，在输出单元50000个电子产生一个1伏的视频信号，增益为1：1。由于热效应产生附加的光子，即暗电流，就会产生不期望的噪声。因此采用CCD芯片这种非稳态结构不用照明，普通的CCD即使在室温的条件下一分钟内就可完全充满电子，而且大约温度每增加7摄氏度,暗电流就会加倍，这就是说芯片的温度升高，噪声就会急剧增加。因此，为了控制暗电流，控制一个比较短的曝光时间非常重要。

传统控制曝光时间的方法是利用机械快门，而如今CCD芯片多采用电子曝光控制，即电子快门。在手工操作模式，用户通常可以选择比如1/50、1/100、1/500秒的一些离散的快门速度（积分时间）；而在自动电子快门模式快门速度能够根据入射光的强度自动调整。如果光的强度太弱，则可以通过长积分时间模式或控制增益的方式来增强弱的CCD信号。

当完成对光敏元区域的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器，电荷耦合器件（CCD）正是由这种电荷耦合式的转移方式，通过在按一定的时序在电极上施加高低电平，可使光电荷在相邻的势阱间进行转移，下图为目前广泛采用的三相电极传送方式。

三相CCD中光电荷的转移

CCD的光敏区域有一维线阵排列和二维面阵排列两种，与其对应的就是线阵（线扫描）相机和面阵（面扫描）相机。图所示就是两种较典型的线阵CCD，通常是由512、1024、2048、4096等个像敏元呈一维排列。光敏阵列与转移区——移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡。图中左侧所示的单通道线阵CCD中，当转移脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到同一个CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲的作用下一位位地移出器件，形成视频脉冲信号，而在下图中左侧所示的双通道线阵CCD中，当转移脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的奇偶位的信号电荷分别并行转移到不同CCD移位寄存器中，最后再合并为视频信号输出，这样可以提高传输速度，目前不仅有双通道，甚至有四通道、八通道的线阵相机以加速线阵CCD的传输速度。

线阵CCD结构（左为单沟道、右为双沟道）

而对于面阵CCD相机，顾名思义其像元呈二维阵列分布，下图所示为三种典型的面阵CCD结构，最左边为桢转移型面阵CCD，它由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成，它的光存储区域与光敏像素区域分开，因此能够有较大的填充因子和较高的势阱容量模传递函数MTF较高的优点，帧转移型CCD的缺点就是快门速度不快，并且制造的体积要稍大，就增加了成本；

中间的为全帧型面阵CCD，当积分完成后通过快门屏蔽入射光然后开始进行行转移，他可以具有比较大的光敏区域比例；最右边为行间转移型CCD，每列像敏单元的旁边都有一个垂直移位寄存器，行间转移CCD只需要约1uS的时间就可完成光电荷至垂直移位寄存器的转移，从而很好地解决了帧转移CCD因转移速度不够快而带来的图像模糊问题。同时，由于行间转移CCD的垂直移位寄存器所占的面积均被遮蔽，所以其对输入光的利用率以及像素密度相对较低。

![图片]

面阵CCD结构（左为桢转移、中为全桢转移、右为行间转移）

CCD芯片总会给出一些基本参数或特性，您想知道某种CCD相机是否能够满足您的应用，那么这些参数或特性正是您所要关心的。

CCD芯片的基本参数之一就是分辨率，单位为有效像素。以面阵相机为例，支持CCIR制式的相机能够提供768×576有效像素的图像输出，支持RS-170（EIA）制式的相机能够提供640×480有效像素的图像输出，比较常见的百万像素相机可以提供1280 × 1024有效像素。

有效像素区域的大小，即CCD芯片尺寸同样是一个重要的参数。下图所示的一些常见面阵CCD芯片尺寸，通常都会以英寸表示，图中分别对应了其实际尺寸。

常见面阵CCD芯片尺寸

频谱响应特性是另外一个重要的光学参数。图中所示的实线是典型CCD芯片的频谱响应。通常，为了使CCD与人眼的频谱相似（即使CCD获取的照片更有真实感）或者排除温度等对CCD相机的影响，相机中会提供一个红外滤波片来实现，如图中点划线所示。假如有一些应用需要对近红外光（NIR）有高的频谱响应来达到图像效果，在这种情况下，就需要一个峰值大约750纳米的CCD芯片，这种芯片还可以通过标准CCD芯片技术达到，因而价格相比还不是很贵。但标准CCD技术对紫外光(UV)以及中（MIR）、远红外光（FIR）是不适用的，这些区域需要特殊的CCD器件或者完全不同的技术,因而价格也贵很多。

常见CCD芯片频谱响应曲线

CCD芯片本身没有区分颜色的能力，比如说，不同的波长就产生不同的光子能量。因此，要通过CCD获得颜色信息，就必须获取混合光中三基色（RGB）分量。彩色CCD芯片获取RGB信息通常有两种方法：最常见的也是相对简单就是在CCD相邻像素上依次加上红、绿、蓝色的滤波片（mosaic filters），在一个芯片上将彩色分量分离，这样我们就得到与我们眼睛看到的相似的红绿蓝相邻像素，使用这种技术的相机比较便宜，而且不需要特殊的镜头，缺点就是分辨率比较低。而获取高分辨率的彩色图像则多利用三CCD技术，利用棱镜将进入相机的光分成三种颜色，三种颜色的光分别映射到另外三个独立的CCD芯片，利用这种技术的相机能够保证高的质量，不过价格也较高，另外，需要使用特殊的镜头。

如果您的应用有高分辨率图像的需要，通常的标准视频制式的工业相机可能不能获得。您可以通过采用高分辨率的面阵CCD相机，也可以采用线阵CCD相机，通常采用线阵CCD不仅价格相对便宜，也容易获取高一些的速度。来源网络，不知来源，讲述机器视觉基础知识。