《现代传感技术与系统》第7章

7.3.1 3D视觉传感原理
基于三角法的3D视觉测量方法
7.2.3 CCD图像传感器
图7-8 所示是三相单沟道线阵 CCD 的结构图。光敏元阵列与转移区移位寄存器是分开的，移位寄存 器被遮挡。这种结构的 CCD 转移 次数多，效率低，只适用于像敏 元较少的摄像器件。
图 7-9 为双沟道线阵 CCD 的结构图。 它具有两列移位寄存器 A 和 B ，分别 位于像敏阵列的两边。当转移栅为高 电平时，光积分阵列的信号电荷包同 时按箭头所示方向转移到对应的移位 寄存器中，然后在驱动脉冲的作用下 分别向右转移，最后以视频信号输出。
视觉测量的应用范围不断扩大
早期主要用于特定的、有非接触要求的场合；现今可以 满足绝大多数工业测量需求。
7.2

图像传感器
7.2.1 摄像管工作原理


7.2.2 电荷耦合摄像器件工作原理
7.2.3 CMOS图像传感器 7.2.4 CCD图像传感器
7.2.1 摄像管工作原理
典型的光电摄像管包含三个基本部分，镶嵌板、集电环和电子 枪。当光线照在光电管上，电子被打出，投影在镶嵌板上的图 像将变成一幅正电荷的分布图。集电环收集光电管所放出的电 子，移出光电发像管电子枪发射电子形成电子束。电子束逐个 扫描镶嵌板上的个光电管时，便形成一系列电脉冲。
7.2.4 CMOS图像传感器
1、无源像素结构
无源像素传感器的像元结构简单，没有信号放大作用，是 由一个反向偏置的光敏二极管(MOS管或p-n结二极管)和一 个行选择开关管Tx构成。
优点：①在给定的单元尺寸下，可 设计出最高的填充系数 ②在给定的设计填充系数下， 单元尺寸可设计得最小 ③可获得较高的“量子效率” 有利于提高器件的灵敏度 不足: ①存在较大的固有图形噪声 ②列线不宜过长以减小其分 布参数的影响
7.2.2
基本功能三
电荷耦合摄像器件工作原理
电荷的转移
通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻 势阱间的转移。 如图7-3来示意CCD中势 阱中电荷的转移： (a) 初始状态； (b) 电荷由(1)电极向 (2)电极转移； (c) 电荷在(1) (2)电极 下均匀分布； (d) 电荷继续由(1)电 极向(2)电极转移； (e) 电荷完全转移到(2) 电极； (f) 三相转移脉冲转移。
7.2.3 CCD图像传感器
行间转移型面阵CCD电荷耦合器件(IT-CDD)的感光行与垂直 位移寄存器相间排列，由转移栅极控制电荷的转移和输出。 优点： ①结构简单，面积小； ②较高的空间频率； ③垂直拖尾减轻。 缺点：①防止漏光，总的感 光面积减小，灵敏度 降低； ②有部分入射光到达 垂直位移寄存器，形 成光污染。
7.1.2
Marr 计算机视觉理论
Marr将视觉过程区分为三个阶段：
图像－>要素图－>2.5维图->三维表示
第一阶段，称为早期视觉，由输入二维图像获得要素图。 第二阶段，称为中期视觉，由要素图获取2.5维图。 第三阶段，称为后期视觉，由输入图像、要素图和2.5维图获得 环境场景的三维表示。
缺陷
1）物理成像过程在数学上是一个透视投影过程，深度和被视线 遮挡的信息被丢弃了，使得相同场景在不同视角下得到的二维图 像是完全不同的； 2）二维图像是依靠图像灰度（亮度）来反映视觉信息的，在成 像过程中很多无关因素都会和有用信息综合在一起生成二维图像。
7.2.5 CCD与CMOS图像传感器比较
7.3

3D视觉传感技术
7.3.1 3D视觉传感原理 7.3.2 摄像机模型及结构参数标定技术 7.3.3 结构光视觉传感器
7.3.4 双目视觉传感器
7.3.5 组合视觉测量系统
7.3.1 3D视觉传感原理
3D视觉传感是指采用一个或多个图象传感器 （摄像机等）作为传感元件，在特定的结构设 计的支持下，综合利用其它辅助信息，实现对 被测物体的尺寸及空间位姿的三维非接触测量。 基于三角法的主动和被动视觉测量原理具有 抗干扰能力强、效率高、精度合适、组成简洁 等优点，非常适合制造现场的在线、非接触测 量，是实际应用的主流。
7.2.2 电荷耦合摄像器件工作原理
电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）传感器使用一种 高感光度的半导体材料制成，能把光信号转变成电荷信号。 当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在 组件上；所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了 一幅完整的画面。 CCD的突出特点就是以电荷作为 信号。 CCD的基本功能是信号电荷的产 生、存储、传输和检测(即输出)。
精度问题
传统的计算机视觉研究，侧重于定性的三维场景识别和理解， 定量的精度分析很少涉及或不涉及；视觉传感测量则是以计 算机视觉为理论基础，结合精密测量、测试理论，解决工程 应用领域内的测量问题，要求在满足一定的精度前提下，实 现被测对象的可靠测量。
7.1.3
视觉传感技术的发展
视觉传感应用于测量是多方面的， 一个主要的研究领域就是基于视 觉传感的几何量测量―视觉测量， 尤其是3D坐标尺寸测量，在现 代工业制造领域内有着广泛的应 用背景。
7.2.2 电荷耦合摄像器件工作原理
基本功能四 光电荷的输出
光电荷的输出是指在光电荷转移通道 的末端，将电荷信号转换为电压或电 流信号输出，也称为光电荷的检测。 CCD电荷的检出方式还有浮置扩散输 出、浮置栅放大器输出等。其结构示 意如图7-6、图7-7所示。
7.2.3 CCD图像传感器
单沟道线阵CCD 线阵CCD 传感器 CCD图像传感器 面阵CCD 传感器 双沟道线阵CCD 帧转移型面阵CCD电荷耦合器件 行间转移型面阵CCD电荷耦合器件 帧-行转移型面阵CCD电荷耦合器件
7.2.4 CMOS图像传感器
2、有源像素结构
（2）光栅型有源像素结构 光栅型有源像素传感器结合了CCD和X-Y寻址的优点，其结 构如图7-12所示，每个像元采用了五个晶体管。采用0.25um 工艺将允许达到5um的像元间距。
由于可以设置 CDS 电路和双 Δ 取 样 DDS) 电路，其读出噪声小， 一般为10～ 20个均方根电子，可 接近高档CCD水平，目前已有读 出噪声为 5 个均方根电子的报道。 CMOS 光栅型 APS 适用于高性能 科学成像和低光照成像。
7.2.3
CCD图像传感器
帧转移型面阵CCD电荷耦合器件(FT-CCD)由成像区、存储区 和读出寄存器3个基本区域组成，由三相脉冲驱动，又称三相 驱动式面阵CCD电荷耦合器件。 优点： ①电极结构简单； ②较高的分辨率 和灵敏度。 缺点： ①尺寸较大； ②易形成光“污 染”严重时形成 垂直拖尾现象。
7.2.5 CCD与CMOS图像传感器比较
与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明 显的优势。
CCD存储的电荷转移和读取电路较为复杂，速度较慢； CMOS 信号读取十分简单，能同时处理各单元的图像信息， 速度比CCD快得多。 CCD器件的成像点为X-Y纵横矩阵排列且仅能输出模拟电 信号；CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻 ，具有高 度系统整合的条件。 从功耗和兼容性来看，CCD功耗大；而CMOS-APS具有功 耗低、兼容性好的特点。 CCD传感器成本高；CMOS传感器成品率高，制造成本低。 CMOS-APS比CCD图像质量高。 高速性是CMOS电路的固有特性。CMOS图像传感器具有 更强的灵活性
7.2.2 电荷耦合摄像器件工作原理
基本功能一 光电荷的产生
当光入射到CCD的光敏面时，便产生了光电荷。CCD在某一 时刻所获得的光电荷与前期所产生的光电荷进行累加，称为 电荷积分。入射光越强，通过电荷积分所得到的光电荷量越 大。
基本功能二
电荷的存储
构成CCD的基本单元是MOS结构。如图7-1所示， UG=0时， P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的； UG< Uth时，空穴被排斥，产生耗尽区； UG> Uth时，表面势Φs变得很高，形成反型层，反型层电荷 的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。
7.2.4 CMOS图像传感器
2、有源像素结构
（1）光敏二极管型有源像素结构 光敏二极管型有源像素结构如图7-11，每个像元包括三个晶 体管和一个光敏二极管。
光敏面没有多晶硅层叠，光敏二 极管型APS量子效率较高； 难以设计在片相关双取样电路， 读出噪声出复位噪声限制，典型 值为75～100个均方根电子。 CMOS光敏二极管型APS适宜于大 多数中低性能的应用。
第7章

视觉传感技术
7.1 概述 7.1.1 生物视觉与机器视觉 7.1.2 Marr 计算机视觉理论 7.1.3 视觉传感技术的发展
7.1.1
生物视觉与机器视觉
所谓视觉，直观理解就是通过对环境场景（组成成分、空间 关系、质地质感等）成像，一次性得到包含大量场景信息的 “图、像”，经过分层次处理，最终达到理解和表达的目的。 生物视觉功能建立在生物组织、 器官的基础上。环境场景通过 成像器官（眼睛）成像，视觉 神经感受到亮度信号，形成神 经脉动，进而传输至中枢神经 系统（大脑），上述路径构成 视觉通路。生物视觉系统是一 个结构复杂、功能强大、高度 智能的信息系统。
视觉像机是视觉测量的基础。视 觉像机技术一直在迅速发展，成 本不断降低，为高性能视觉测量 系统的开发和普及应用奠定了坚 实的基础。
7.1.3
视觉传感技术的发展
视觉测量的分析方法发生显著变化 I.采用多参数的非线性模型和误差补偿措施； II.将精密测量领域内的标定方法、设备和技术引入到计
算机视觉中； III.结合近景摄影测量理论和计算机视觉。
7.1.1
生物视觉与机器视觉
借助于信息处理理论、电子器件和计算机技术的进步，人们 试图用摄像机获取环境场景图像，转化为计算机处理的数字 信号，由计算机平台进行视觉信息处理，由此诞生一门新兴 学科－计算机视觉。