机器视觉系统之相机篇

—工业数字相机篇

机器视觉系统

主讲人：张勇

中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司

工业摄像机分类

按输出图像信号格式划分n 模拟摄像机

ØPAL （黑白为CCIR ）ØNTSC （黑白为EIA ）

n 数字摄像机

ØIEEE1394ØUSB2.0ØCamera Link ØGigE

工业摄像机分类按像素排列方式划分

n 面阵摄像机

Ø黑白摄像机

ØBayer 彩色相机

Ø

3CCD 彩色相机（分光棱镜）

n 线阵摄像机

Ø黑白摄像机

Ø3Line 彩色摄像机

Ø

3CCD 彩色摄像机（分光棱镜）

工业摄像机靶面尺寸和分辨率

靶面尺寸

1’

2/3’

1/1.8’

1/2’

1/3’

1/4’

宽x 高(m m )12.8x 9.68.8x 6.67.18x 5.326.4x 4.84.8x 3.63.6x 2.7

V G A

S V G A X G A S X G A

U X G A

分辨率

659x 494

782x 582

1034x 779

1392x 10401628x 1236

工业摄像机芯片分类

按芯片类型划分：

•C C D 摄像机•C MO S 摄像机

C C

D S e n s o r —全帧转移

Output (Amplifier)

Serial readout register

Ø优点：填充因子(f i l l

f a c t o r )可以达到非常高，甚至达到100%。这样S e n s o r 灵敏度非常大。Ø缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此S e n s o r 上面的部分曝光时间比下面的长，这会造成S m e a r 现象。为了解决这个问题，必须使用机械快门或闪光灯。

C C

D S e n s o r —帧传输

Ø优点：在曝光时间较长的

情况下，S m e a r 现象比F u l l F r a m e A r r a y S e n s o r 小很多Ø缺点：由于需要两个S e n s o r ，因此成本非常高

Light sensitive CCD-sensor

Shielded memory area

Readout register

...............................

C C

D S e n s o r —行转移

Ø转移时间约为1u s ，因此完全不存在S m e a r 现象。

Ø优点：由于转移时间非常短，因此不需要使用机械快门或闪光灯

Ø缺点：由于屏蔽区占用了S e n s o r 的部分面积，因此使得此种传感器填充因子只能在20%~70%

Ø添加微镜头可以增加填充因子

Horizontal shift registers

vertical shift register

Shielded

(Photo diodes)Sensor elements Output (Amplifier)

电子快门和微透镜

ØO v e r f l o w D r a i n 主要用来消除C C D S e n s o r 的B l o o m i n g 现象，它也被用来实现电子快门

Ø通过M i c r o L e n s e s 可以将传感器的填充因子提高。

C MO S S e n s o r

C C

D v s C MO S

C C

D C M O S

优

1.图像质量高

2.灵敏度高

3.对比度高

1.体积小

2.片上数字化

3.很多片上处理功能

4.低功耗

5.没有B l o o m i n g 现象

6.直接访问单个像素

7.高动态范围（120d B ）

8.帧率可以更高劣

1.B l o o m i n g

2.不能直接访问每个像素

3.没有片上处理功能

1.一致性较差

2.光灵敏度差

3.噪声大

隔行扫描和逐行扫描

隔行扫描

逐行扫描

行曝光和帧曝光

行曝光

帧曝光

彩色摄像机－B a y e r彩色相机彩色摄像机－3L i n e s相机彩色摄像机－3C C D相机

工业数字摄像机主要接口类型ØU s b2.0

ØI E E E1394

ØC a m e r a L i n k

ØG i g E

U S B接口

标准发布日期传输速率应用

U s b1.01996年1.5M b p s N O

U s b1.11998年12M b p s U s b鼠标、键盘、家用扫描

仪、一些网络摄像机等

U s b2.0

H i g h-

s p e e d

2000年480M b p s80％的带宽用于图像传输，

约38M B

U s b3.0

S u p e r-

p e e d

2008.084.8G b p s N O