1、q基本概念基本概念q基本结构基本结构q成像原理成像原理第二讲第二讲 工业相机工业相机第三讲第三讲 工业相机工业相机内容提要内容提要一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（1）q传感器的尺寸传感器的尺寸 图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“1/3“、1/2”1/2”等。等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4 4：3 (H3 (H：V)V)，数字相机的长宽比例则包括多种：数字相机的长宽比例则包括多种：1 1：1 1，1616：9 9
2、，3 3：2 2 etcetc。第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（2）q物理放大率物理放大率 传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本取传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本取决于镜头决于镜头q系统放大率系统放大率 最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统的阐述。值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统的阐述。对于自动测量和检测系统而言，物理放大率具有关键的对于自动测量和检测系统而言，物理放大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要人机交互进行检测的系意义。系统放大
3、率仅仅对于需要人机交互进行检测的系统有意义统有意义q像素（像素（Pixel =picture+elementPixel =picture+element） 传感器感光面上最小感光单位。传感器感光面上最小感光单位。第三讲第三讲 工业相机工业相机4一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（3）q分辨率分辨率(Resolution)(Resolution) 模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，数字相机的传分辨率则直接以及后期处理电路的质量，数字相机的传分辨率则直接取决与传感器上像素的数目。取决与传感器上像素的数目。48
4、0768640480760574美制美制 RS RS 170 Norm 170 Norm欧制欧制 CCIR - Norm CCIR - Norm第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（4）q像素长宽比像素长宽比 指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形的象素来说，其比值为形的象素来说，其比值为1 1：1 1。此参数，对于系统的标定有直。此参数，对于系统的标定有直接影响。接影响。q快门速度（快门速度（Shutter SpeedShutter Speed） CCD/CMOSCCD/CMOS相机多数采用电
5、子快门，通过电信号脉冲的宽度相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到快门速度可以达到1/10000-1/1000001/10000-1/100000秒。秒。q帧频率（帧频率（Frame RateFrame Rate） 相机每秒中能够输出图像的帧数，对于模拟制式相机，相机每秒中能够输出图像的帧数，对于模拟制式相机，这个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。这个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。q像素速率（像素速率（Pixel RatePixel Rate） 相
6、机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意义。意义。第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（5）q卷帘快门（卷帘快门（Rolling ShutterRolling Shutter） 多数多数CMOSCMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。行曝光，每一行的曝光时间不一致。q全局快门（全局快门（Global ShutterGlobal Shutter） CCDCCD传感器和极少数传感器和极少数CMOSCMOS传感器采用的快门，传感传感器采用
7、的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。器上所有像素同时刻曝光。第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（6）q相机扫描方式相机扫描方式隔行扫描（隔行扫描（ Interlace Interlace ）35246第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（7）q相机扫描方式相机扫描方式 逐行扫描（逐行扫描（ Progressive scan Progressive scan ）35241第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（8） q异步触发异步触发 通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高
8、速拍摄通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高速拍摄的时候最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期，对于某些的时候最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期，对于某些支持异步触发的相机，可以在当前帧扫描尚未完成的情况下，支持异步触发的相机，可以在当前帧扫描尚未完成的情况下，将当前帧抛弃，直接开始新一帧图像的扫描，可以使得告诉拍将当前帧抛弃，直接开始新一帧图像的扫描，可以使得告诉拍摄的同步精度达到一行的扫描周期。摄的同步精度达到一行的扫描周期。q最低照度最低照度 又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是指相机获得况下是指相机获得3030最
9、大输出值时候所需的照度。单位是最大输出值时候所需的照度。单位是LuxLux。q局部扫描局部扫描 多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这些像素位于某个矩形窗口内。通过具备扫描可以获得更高的桢些像素位于某个矩形窗口内。通过具备扫描可以获得更高的桢频率。频率。第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基本概念（9）q传感器的光谱传感器的光谱下面是一个典型的下面是一个典型的CCDCCD图像传感器对于不同光谱的响应图像传感器对于不同光谱的响应曲线曲线。第三讲第三讲 工业相机工业相机一、工业相机的基本概念（一、工业相机的基
10、本概念（10）q信号格式信号格式模拟图像信号的格式包括：复合视频信号，模拟图像信号的格式包括：复合视频信号，Y/CY/C分离信号，分离信号，RGBRGB分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号，情况下对于彩色视频信号，Y/CY/C分离传输的方式优于复合视频分离传输的方式优于复合视频传输的方式，传输的方式，RGBRGB分量传输的方式又优于分量传输的方式又优于Y/CY/C分离传输方式。分离传输方式。q 数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括：数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括：q
11、* *LVDSLVDSq * *IEEE-1394(Fire Wire)IEEE-1394(Fire Wire)q * *USB2USB2。0 0q * *CameraLinkCameraLinkq * *EthernetEthernet，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像的百兆协议。经过压缩影像的百兆协议。第三讲第三讲 工业相机工业相机二、工业相机的基本结构二、工业相机的基本结构Digital Image Processing ModuleLens MountIR FilterImage SensorDrive CircuitTransmi
12、tting Controller Video SignalChannel to control the camera 第三讲第三讲 工业相机工业相机三、工业相机的基本原理三、工业相机的基本原理1图像传感器（图像传感器（Image sensorImage sensor）：是一个由）：是一个由N N行及行及M M列感光单元列感光单元（CCD PixelCCD Pixel）组成的矩阵。）组成的矩阵。CCDCCD的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由电子，再将这些自由电子收集在一起形成信号。电子，再将这些自由电子收集在一起形成信号。感光单元
13、感光单元(CCD Pixcel)工作原理工作原理第三讲第三讲 工业相机工业相机三、工业相机的基本原理三、工业相机的基本原理2qCCDCCD的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电子释的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形成的电流，便可以量化地代表感光面上放出来之后所形成的电流，便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。某点的明暗信息。qCCDCCD成象的成象的“溢出溢出”（BloomingBlooming）问题：当）问题：当CCDCCD象素接象素接收到过多的光子，存储器中所收集的自由电子就会向周收到过多的光子，存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素边的象素“溢出溢出”。致使
14、整个区域成象变亮。致使整个区域成象变亮。光子光子CCD象素象素自由电子自由电子溢出溢出第三讲第三讲 工业相机工业相机三、工业相机的基本原理三、工业相机的基本原理3相机拍照时间示意图相机拍照时间示意图电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率（Frame rateFrame rate）是相对固定的。因此，传输速率是相机的）是相对固定的。因此，传输速率是相机的成像速度的成像速度的“瓶颈瓶颈”。例：电子快门速度可达。例：电子快门速度可达1/10001/1000秒，秒，但成像却只能达到但成像却只能达到6060帧帧/ /秒。秒。电子快门时间电子快门时间图像传
15、输时间图像传输时间单帧图像完整拍照时间单帧图像完整拍照时间第三讲第三讲 工业相机工业相机q按照图像传感器区分按照图像传感器区分CCDCCD相机：使用相机：使用CCDCCD感光芯片为图像传感器的相机感光芯片为图像传感器的相机 CMOSCMOS相机：使用相机：使用CMOSCMOS感光芯片为图像传感器的相机感光芯片为图像传感器的相机 q按照输出图像颜色区分：按照输出图像颜色区分：单色相机：输出图像为单色图像的相机。单色相机：输出图像为单色图像的相机。 彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。 四、工业相机分类（四、工业相机分类（1）第三讲第三讲 工业相机工业相机q按照
16、传感器类型区分按照传感器类型区分面扫描相机面扫描相机传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维维“面面”图像。图像。 线扫描相机线扫描相机传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维成图像为一维“线线”图像。图像。四、工业相机分类（四、工业相机分类（2）第三讲第三讲 工业相机工业相机q按输出信号区分按输出信号区分 模拟信号相机模拟信号相机从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号，后再传到图像采集卡中。即普通视频信号，后再传到图像采
17、集卡中。 数字信号相机数字信号相机信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。字化并输出。四、工业相机分类（四、工业相机分类（3）第三讲第三讲 工业相机工业相机四、工业相机分类（四、工业相机分类（5）彩色彩色VS黑白黑白 黑白相机的每个像素仅仅采集亮度信号，对于彩色相机，则是借黑白相机的每个像素仅仅采集亮度信号，对于彩色相机，则是借助于一个助于一个Bayer滤色片让每个像素来采集图像特定的色彩分量，滤色片让每个像素来采集图像特定的色彩分量，然后利用后期的电路再重建出真是色彩，所以黑白相机的分辨率然后利用后期的电路再重建出真是色彩，所以黑白
18、相机的分辨率通常比具有同样像素数目和同级别后期处理电路的彩色相机搞出通常比具有同样像素数目和同级别后期处理电路的彩色相机搞出1020（in TVL)。此外由于没有覆盖。此外由于没有覆盖Bayer滤色片，黑白滤色片，黑白相机在弱光下面的灵敏度也更好一些。但是彩色相机在检测那些相机在弱光下面的灵敏度也更好一些。但是彩色相机在检测那些具有色彩敏感信息的目标的时候具有突出的优势。当然黑白相机具有色彩敏感信息的目标的时候具有突出的优势。当然黑白相机也可以通过对光源色彩的控制实现这一功能。如果需要更高质量也可以通过对光源色彩的控制实现这一功能。如果需要更高质量的彩色视频，就需要采用的彩色视频，就需要采用3
19、CCD技术的彩色相机。技术的彩色相机。第三讲第三讲 工业相机工业相机四、工业相机分类（四、工业相机分类（6）模拟相机模拟相机 VS。 数字相机数字相机 相对来说模拟相机的价格比较低廉，使用比较简单。但相对来说模拟相机的价格比较低廉，使用比较简单。但是模拟相机存在一个分辨率和帧频率的上限，而且对于是模拟相机存在一个分辨率和帧频率的上限，而且对于传输过程中的噪声和损耗也较为敏感。数字相机，通常传输过程中的噪声和损耗也较为敏感。数字相机，通常具有更高的分辨率，当然价格也更昂贵，而且牵涉到比具有更高的分辨率，当然价格也更昂贵，而且牵涉到比较复杂的按照调试工作，即使这个系统只需要最简单的较复杂的按照调试工作，即使这个系统只需要最简单的功能，数字相机的传输距离通常较模拟相机短。功能，数字相机的传输距离通常较模拟相机短。第三讲第三讲 工业相机工业相机讨论讨论与与答疑答疑
