计算机视觉
图像处理

摄像机常见术语和参数介绍(一)

传感器
传感器是摄像机的核心部件,目前摄像机常用的感光芯片有CCD和CMOS两类。

1.CCD(电荷耦合器件) 
目前常用CCD的有三种结构, 全帧转移、帧传输和行转移。

  • 行转移(Interline Transfer)

在三种结构中,行转移是最常使用的一种,多数中、低端产品都使用这种方式。

  • 全帧转移(Full frame )

  全帧转移结构最简单,感光区和存储区在一起,可获得100%的fill factor。缺点是为避免图像漏光,在读出时要阻止外界光线进入。这可以通过使用机械快门、使用频闪灯的方法实现,或者使曝光时间远远大于读出时间,以尽量减少漏光。

  • 帧传输(Frame transfer)

  帧传输结构是感光区和存储区完全分开,且大小相等。曝光后的信号电荷以非常快的速度(通常小于帧周期的1%)转移到存储区,然后逐行输出。很明显,帧传输传感器可获得100%的fill factor,而且在读出过程中,可对下一帧曝光。缺点是芯片尺寸大,成本高。
 

2.CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器 
CMOS传感器和CCD传感器在感光部分原理是相同的,不同的是在每个像素单元中,除感光部分外,还有放大器和读出电路部分,整个CMOS传感器还集成了寻址电路、放大器和A/D。
 

3.CCD和CMOS的主要性能比较

  • 满阱容量差异:由于CMOS传感器的每个像素包括一个感光二极管、放大器和读出电路,同时整个传感器还包括寻址电路和A/D,使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积,因此在像素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的满阱能力要低于CCD传感器。
  • 成本差异:由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、时序、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本。
  • CMOS 传感器可以随机寻址,能够非常方便地仅将队列中感兴趣地部分读出,提高帧率。
  • 噪声差异:由于CMOS传感器的每个感光二极管都搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器在水平寄存器输出端的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。
  • 功耗差异:CMOS传感器的功耗低于CCD传感器。

 

线阵摄像机和面阵摄像机
上面介绍的都是面阵传感器,构成的摄像机称作面阵摄像机。感光单元(像素)按二维
阵列排列,阵列中的每个感光单元对应一个像素,被拍摄的目标的一个面被成像,目标与摄像机之间可以是静止的,也可以是相对运动的。
还有一类传感器,感光单元排列是一维的,每次曝光仅是目标上的一条线被成像,形成一行图像,随着目标物体与摄像机之间的相对运动,摄像机连续曝光,最后形 成一幅二维图像。这样的摄像机叫做线阵摄像机。当然为保证采集的图像不变形,目标相对与摄像机的运动应保持在一个方向。线阵摄像机每一行扫描的像素数可以 从512-12000,每行的曝光也可以与目标的运动速度无关,因此也适用于目标运动速度变化的场合。
线阵摄像机适合于目标物体幅面大,或缺陷尺寸微小的场合,如:印刷质量检测,PCB板检测,布匹或棉花的检测,颗粒(粮食、水果等)检测等。

 

彩色摄像机

1.彩色面阵摄像机 
构成彩色面阵摄像机的传感器有二种形式:

  • 单片彩色摄像机,这种摄像机的传感器只有一片。传感器上每个像素点分别对应R、G、B三种颜色中的一种,R、G、B三种像元按一定的规律排列(如下图所 示),我们实际所得到的每个像素点的R、G、B三原色的数值是根据该像素点及其周围若干点的像素值进行插值计算而来的,彩色图像效果与采用的差值算法密切 相关,在颜色变化剧烈的边缘位置会有较明显的色彩失真和细节的丢失。目前我们常见的彩色摄像机一般是这种形式的,其价格和同档次的黑白摄像机相近。
  • 3CCD 彩色面阵摄像机,这种摄像机每个像素点对应有R、G、B三个感光元件,采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上,分别进行光电转换得到R、G、 B三色的数值(见下图)。这种摄像机得到的图像质量好,没有细节丢失的问题,但由于摄像机结构复杂,所以一般较昂贵。另外由于这种摄像机采用了分光棱镜的 方式,光线到达每个CCD靶面的光程是不一样的,所以需要镜头做针对性的设计才能达到比较好的图像效果,所以使用3CCD的摄像机还需要配备专用的镜头。

2.彩色线阵摄像机 
同样,构成彩色线阵摄像机的传感器也有二种形式。

  • 3 Line彩色摄像机,传感器的具有R、G、B三行像元,分别对红、绿、兰三种波长的光敏感应,所以每个像素点都会对应R、G、B三个通道的数值,形成彩色 的图像数据。需要注意的是,由于R、G、B三行像元在同一时刻所采集的并非同一位置的信息(见图),在实际应用中需要进行空间校正才能得到所需的彩色图 像。一般的摄像机都提供内部进行空间校正处理的功能,要取得质量良好的图像,这类摄像机对自身安装精度和目标运动的稳定性都有一定的要求。
  • 3CCD彩色线阵摄像机,与面阵的3CCD摄像机原理相同,采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上,分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值。图像质量好,但需配备专用镜头。

 

传感器分辨率和尺寸
传感器尺寸通常以有效面积(宽度×高度)或对角线尺寸(英寸)表示;分辨率通常以水平方向和垂直方向的像素数或套用计算机显示使用的方法表示。

对角线 1” 2/3” 1/1.8” 1/2” 1/2.7” 1/3” 1/4”
有效面积 12.8 × 9.6 8.8 × 6.6 7.18 × 5.32 6.4 × 4.8 5.27 × 3.96 4.8 × 3.6 3.6 × 2.7

 

分辨率 659 × 494 782 × 582 1034 × 779 1392 × 1040 1628 × 1236
  VGA SVGA XGA SXGA UXGA

   在实际应用中,摄像机、检测系统的分辨率与传感器的分辨率不同。摄像机的分辨率除传感器的分辨率因素外,还取决于镜头、传感器的像素尺寸和模拟电路。分 辨率通常以每毫米多少线对表示(lp/mm)。如果传感器像素尺寸为ρ,理论上最大空间分辨率为1/(2ρ)lp/mm。而检测系统的分辨率还与光源及其 它一些因素有关。
在使用中,要注意传感器尺寸和镜头尺寸相配合。

 

像素尺寸
像素尺寸就是每个像素的面积。
很显然,单个像素面积小,单位面积内的像素数量多,摄像机的分辨率增加,利于对细小缺陷的检测和增大检测视场。但随着像素面积的缩小,满阱能力(每个像素 能够储存的电荷数量)也随之减小,造成摄像机动态范围的降低。因此,在分辨率允许的情况下,选择像素尺寸大的相机,会有较大的动态范围;增大的像素尺寸, 同时还会提高摄像机的感光度(感光度是指多暗的情况下,摄像机能够工作)。当然,在更多电荷被积累和存储的同时,伴随其产生的各类噪声也会加大。

 

扫描方式 
扫描方式是指CCD或CMOS中像素的输出方式。
隔行扫描是将一幅图像分成二场,奇数行组成一场,偶数行组成一场,二场按规定先后顺序输出。大多数CCTV摄像机采用隔行扫描的方式。
逐行扫描是将一幅图像的所有行,从第一行到最后一行按顺序逐行输出。机器视觉中使用的摄像机多采用逐行扫描。
在拍摄高速运动物体的场合,要选用逐行扫描摄像机或使用隔行扫描摄像机的场采集方式采集图像。

 

像素时钟、最大行频和最大帧率

  • 像素时钟

   像素时钟是CCD中像素输出的节拍。在给定传感器分辨率的条件下,像素时钟越高,最大的行频或帧率越高。当然在增加像素时钟的同时,传感器的读出噪声也 会增大,影响摄像机在低照度环境下的性能。对于高速、大数据量输出的CCD传感器,传感器阵列构造多个输出端口(Tap),每个端口输出全部像素的一部 分,从而降低像素时钟,减少读出噪声。

  • 最大行频

  指线阵摄像机每秒钟能够输出的最大行数。

  • 最大帧率

  指面阵摄像机每秒钟能够采集并输出的最大帧数。限制最大帧率的因素有:曝光时间、数据读出时间(图像数据从传感器传送到摄像机内部FIFO或存储器的时间)、数据传输时间(图像数据从摄像机内部FIFO或存储器到PC的时间)、像素深度和信号输出格式。
手册上通常列出的是在最大分辨率下的帧率。如果采用部分扫描或binning技术,会提高摄像机的输出帧率。当然,前者缩小了采集视场,后者降低了分辨率。

 

像素深度
像素深度是指每个像素用多少比特位表示。一般来说,每个像素的比特位数多,表达图像细节的能力强。

 

信噪比和动态范围 
信噪比是指测量到的信号与测量到的总噪声之比。
动态范围用来描述每个像素能够分辨出的灰度等级。它是饱和电压(最大的输出电平)摄像机输出的噪声之比。宽动态范围能够使场景中非常亮和非常昏暗部分的细节同时被清晰的显示,如人背向站在非常亮的光线下,背景的细节和人脸上的细节都能够看的非常清晰。

 

感光度、光谱曲线
摄像机的感光度(响应度)定义摄像机在固定曝光量下的灵敏性特性,它与照射的光波的波长有关。感光度的单位是DN/(nJ/cm2),表示在已知曝光 1nJ/cm2条件下,摄像机输出的像素灰度值。必须要注意的是测量时对增益的设置说明。摄像机在高增益下可以得到高的响应度,但噪声同时增加会减少动态 范围。
许多摄像机厂商并不给出不同波长下的传感器或摄像机的输出值,而仅给出相对值,反映不同波长下的灵敏特性。
每个像素收集的光电子数量与入射光强度、曝光时间成线性关系,与光波长呈非线性关系。

 

图像采集方式
图像采集方式主要是指 (1) 什么时候开始采集?(2) 曝光的长度?(3) 如何结束采集?
开始采集通常有软件采集和外部硬件信号触发采集二种。软件采集是计算机向摄像机发出开始采集命令,可以是单帧采集或多帧连续采集;外触发采集是通过外部触发信号启动采集,信号可以是上升沿或下降沿触发或电平触发。
曝光时间,软件命令采集是通过对寄存器编程设置实现不同长度的曝光;外触发采集的沿触发方式也是通过寄存器编程设置实现,电平触发则是用触发的电平的持续时间控制的。
采集结束控制主要针对软件采集,单帧采集结束后自动清除采集命令,连续采集要由计算机发出命令清除设置的采集命令。

 

曝光(快门)
快门就是控制曝光时间。传统的照相机是通过机械快门对照射在底片上的光进行遮光动作实现曝光控制。在CCD或CMOS摄像机中是利用电子快门实现曝光控制。照射在传感器上的光不断发生光电转换,电子快门的原理是只储存一定曝光时间的信号电荷,然后进行输出。
常用的电子快门有二种工作方式: global shutter(帧曝光),rolling shutter(逐行曝光)。Global shutter 是传感器阵列中所有像素同时曝光,曝光周期由预先设定的快门时间确定。一些CMOS传感器使用rolling shutter,传感器上的所有像素不是同时曝光,而是同一行上的像素同时曝光,不同行的曝光起始时间是不同的。图像上的第一行最先曝光,最先结束,后面 的行开始和结束曝光均比前一行略有延迟,相互有交迭,每一行的曝光时间是相同的,行间的延迟是不变的。
由于在Rolling shutter方式下,整个图像曝光需要一定的时间,对于高速运动的物体,会造成图像模糊、变形。如下图,拍摄高速运转的风扇,左图是使用global shutter,右图是使用rolling shutter。

数据输出方式
数字摄像机常用的输出方式有USB、1394a、1394b、Camera Link和GigE。

Binning
Binning是感光后的像素在传感器中进行合并后再输出。像素的合并可以是行之间,也可以是列之间,因此有垂直binning和水平binning。垂 直binning是把相邻的两行移到水平移位寄存器中,然后一同移位输出;水平binning是把水平移位寄存器中的相邻像素移到放大器中,在相邻像素间 不复位。
显而易见,相邻像素binning,信号电荷增加一倍,摄像机对光的灵敏度增加6dB,信噪比提高3dB。当然,binning后的图像空间分辨率降低了。

Blooming
Blooming是指被拍摄的场景中有非常亮的部分,在光电转换过程中,传感器上对应非常亮的部分的像素电荷超出了满阱能力,溢出到周围相邻像素,画面上产生白斑。

Smear(漏光)
Smear现象是指当拍摄对像中含有高亮度的光线或太阳光时,高亮度部分上下方可看见很亮的垂直白线或白带。不同的CCD结构,产生smear的机理也有所不同。

如何选择合适的数字摄像机
在实际应用中,选择摄像机类型不仅要从技术上考虑,同时要兼顾成本的因素。为简化问题,这里仅从技术上介绍摄像机选型的基本原则。

  • 根据检测项目的需求和待检目标的特点确定选用面阵摄像机还是线阵摄像机
  • 确定选用彩色摄像机还是单色摄像机。在一些颜色分类的场合,选用单色摄像机配合不同光谱的光源或滤色片,也会使处理简化
  • 定义待检目标的最小特征和检测视场,由此确定摄像机的分辨率
  • 根据目标运动速度和通过率,确定摄像机的帧率(行频)
  • 根据处理需求,选择摄像机的智能特性,如: 平场校正,LUT, binning等

 

图像采集卡

图像卡工作原理是将摄像机等输入的模拟图像信号经过A/D转换,或将数字摄像机的输出信号,通过计算机总线传输到计算机内存或显存,计算机可以对现场采集的图像进行实时处理和存储。
  我公司研制和生产的图像采集卡是基于PCI总线、PC/104-Plus总线、PCI-E总线和Mini PCI总线。对于模拟信号输出的摄像机,PAL制电视信号每帧有用的扫描行是576,因此PAL制的最高垂直分辨率为576,PAL制信号通常为4:3, 因此模拟图像采集卡的分辨率一般为768×576。对于NTSC制信号,分辨率为640×480。由于标准视频信号是隔行扫描,在数字化的过程中每帧图像 分成两场,奇数场和偶数场,两场之间相差20ms,每场的分辨率是288行或240行。对于高速运动的物体,按帧方式采集图像后有拖尾的现象,要解决这一 问题需要采用仅采集一场并缩短曝光时间的方法,或采用数字逐行摄像机并缩短曝光时间的方案。
  我公司生产的不同型号图像卡的区别主要表现在输入信号、图像质量、总线形式、处理功能等方面。对于模拟图像卡,一般有复合视频输入、S-VIDEO即 (Y/C)输入,RGB输入、YPbPr输入等。图像质量由于不同板卡使用的芯片及设计的不同有较大差异。同时,不同用途的图像卡图像质量及价格也有很大 的差别。目前使用较多的总线有PCI、PC/104-Plus、 PCI-E、Mini PCI及笔记本所用的PCMCIA总线。PCI总线使用最多,多数PC机及工控机均使用PCI总线,PCI总线的缺点是总线使用金手指抗震动能力不强,总 线带宽限133MB/s,对于大量数据无法传输。PCI-Express是近几年新发展的计算机总线,PCI-Express有×1、×2、×4、×8、 ×16多个版本,×1总线带宽为256MB/s, ×16为4096MB/s,由于PCI-Express具有高带宽的优势,支持PCI-Express总线的主板越来越多。PC/104-Plus采用多 排插针及定位螺钉,抗震动能力大大加强,目前一些工控机使用该总线,比较适合于嵌入式系统。Mini PCI 是PCI的变形,可以使得整个系统体积更小。PCMCIA是笔记本使用的总线,目前PCMCIA总线的图像卡种类不多。
  数字图像采集卡采集数字摄像机的输出信号,有LVDS、Camera Link两种视频总线方式,两者均是国际商用标准。

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