1-工業(yè)相機(jī)原理及選型指導(dǎo)

1、工業(yè)相機(jī)介紹,工業(yè)相機(jī)分類,? ??? ?? ??,,一、工業(yè)相機(jī)分類,CCD &CCD相機(jī),相機(jī)芯片,有不同大小的芯片,,,,,,,實(shí)物,圖像,?,,,如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像,,圖像采集和處理的過(guò)程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上,二、CCD&CMOS相機(jī),,感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。,二、CCD&CMOS相機(jī),CCDCharged Coupled Devi

2、ce: 電荷耦合器大量的獨(dú)立的光敏元件排列在一起每個(gè)光敏元件稱為像素 像素圖像的基本單位：最小的視覺(jué)顯示單位.,CCD的概念,二、CCD&CMOS相機(jī),實(shí)物,圖像,數(shù)字量,光子,模擬量（電壓）,電荷,,,,,,CCD結(jié)構(gòu)及工作原理,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD結(jié)構(gòu)感光二極管（Photodiode）并行信號(hào)寄存器（Shift Register） -用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號(hào)寄存器

3、（Transfer Register）-用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行積存器的模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號(hào)放大器-用于放大微弱電信號(hào)數(shù)摸轉(zhuǎn)換器-將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào),CCD結(jié)構(gòu)及工作原理,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD工作原理,CCD結(jié)構(gòu)及工作原理,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD種類—傳輸方式,隔行傳輸式（Interline Transfer）-感光元件產(chǎn)生電信號(hào)-電荷轉(zhuǎn)移到并行寄存器-電荷從并行寄

4、存器轉(zhuǎn)移到串行寄存器-串行寄存器將電信號(hào)轉(zhuǎn)到模擬寄存器-放大、數(shù)摸轉(zhuǎn)換、數(shù)字信息快速-暴光和數(shù)據(jù)讀出可同時(shí)進(jìn)行可采用軟件控制的電子快門工作動(dòng)態(tài)范圍小,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD種類—傳輸方式,全幀（Full Frame）-感光元件產(chǎn)生電信號(hào)-電荷轉(zhuǎn)移到串行寄存器-放大、數(shù)摸轉(zhuǎn)換、數(shù)字信息動(dòng)態(tài)范圍寬信噪比高分辨率高成像速度慢必須借助機(jī)械快門控制暴光量,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD

5、種類—傳輸方式,全轉(zhuǎn)（Full Fransfer）-綜合Full Frame和Interline Transfer特點(diǎn)，在器件上劃分感光區(qū)和寄存區(qū)-暴光和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移可以同時(shí)進(jìn)行保證單位像素上的感光面積保證了拍攝速度,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD數(shù)字化,數(shù)字化（Digitization）-模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)運(yùn)用2進(jìn)制運(yùn)算法則來(lái)將CCD采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)12bit=4096；14bit=16384；

6、16bit=65536應(yīng)用軟件將運(yùn)用一定的運(yùn)算法則來(lái)決定最適合顯示器灰度級(jí)別的數(shù)據(jù),二、CCD&CMOS相機(jī),CCD像素合并,像素合并（Binning） -將相臨的像素所堆積的電荷進(jìn)行合并并當(dāng)作一個(gè)單一的像素輸出信號(hào) -提高靈敏度（2x2bin提高4倍靈敏度） -降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率）,二、CCD&CMOS相機(jī),CMOS,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary Met

7、al Oxide Semiconductor） -核心元件：感光二極管（Photodiode） -同一像點(diǎn)當(dāng)中包含放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（一個(gè)感光二極管和三顆晶體管） -開(kāi)口率底（開(kāi)口率：有效感光區(qū)與整個(gè)感光元件面積比值） -靈敏度底、噪聲明顯 -數(shù)模轉(zhuǎn)換無(wú)法保證嚴(yán)格一致,二、CCD&CMOS相機(jī),,,,,,,,,,,,,,CCD sensor,放大,A/D,光子,電子,電壓,數(shù)字信號(hào),,,

8、,,CMOS 芯片可以在像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟,CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖,由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是 CMOS的 電荷到電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程是在每個(gè)像素上完成的,二、CCD&CMOS相機(jī),二、CCD&CMOS相機(jī),CCD V.S. CMOS,CCD與CMOS比較,由于上面所說(shuō)的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改就更方便。 而

9、由于CMOS的過(guò)分集成，電路更改就不方便。但可靠性高。 CMOS功耗小。CMOS躁聲大。CMOS靈敏度差。CMOS速度快。由結(jié)構(gòu)決定。成本CMOS便宜一些。,二、CCD&CMOS相機(jī),從以上的對(duì)比可以看出： CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見(jiàn)的高速攝像頭則會(huì)采用CMOS芯片。,二、CCD&CMOS相機(jī),CCD芯片的工作方式要經(jīng)歷的過(guò)程：A 、 光電轉(zhuǎn)換，B 、電荷儲(chǔ)存，C 、電荷轉(zhuǎn)

10、移，D 、信號(hào)放大,二、CCD&CMOS相機(jī),相機(jī)（光電轉(zhuǎn)換器，完成信號(hào)轉(zhuǎn)換） 種類：線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/CMOS 指標(biāo)：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、速度、噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等 工作模式：Free run、Trigger（多種）、長(zhǎng)時(shí)間曝光等,二、CCD&CMOS相機(jī),成像方式,CCD大小,信噪比,信號(hào)制式,圖像像素

11、,最低照度,同步系統(tǒng),快門速度,局部掃描,讀出模式,觸發(fā)快門,增益,三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,CCD主要參數(shù),Progressive Scan 逐行掃描Interlance Scan 隔行掃描,成像方式,,,,,,,,,,,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,成像方式,隔行/逐行,Progressive逐行,Interlace隔行,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,CCD信號(hào)制式,從分辨率上看，CCIR

12、對(duì)應(yīng)于PAL，EIA對(duì)應(yīng)于NTSC。,彩色CCD制式：NTSC(美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)制式)H 59.94Hz / V15.734Hz V:H為4:3 應(yīng)用在美國(guó)和日本PAL(相位逐行交變制式)H50Hz / V15.625Hz 應(yīng)用在歐洲和中國(guó)黑白CCD制式：EIA(RS170)30幀/s 60場(chǎng) H15.75Hz 在美國(guó)及日本通用CCIR25幀/s 50場(chǎng) H15.625Hz 在歐

13、洲及中國(guó)通用,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,CCD信號(hào)制式,從分辨率上看，CCIR對(duì)應(yīng)于PAL，EIA對(duì)應(yīng)于NTSC。,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,CCD芯片尺寸,特殊之處：1inch = 16mm ≠25.4mm,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,CCD芯片尺寸,相機(jī)芯片尺寸 鏡頭尺寸≧相機(jī)芯片尺寸,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,快門速度,快門速度就是

14、用來(lái)控制曝光時(shí)間的裝置，一般而言，快門速度跨越的時(shí)間范圍越大越好,如:1/30~1/16,000 10 steps 1/15~1/8,000 10 steps,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,圖像像素,圖像像素TV格式 752 x 486 38萬(wàn)像素VGA 640 x 480 33萬(wàn)像素SVGA 800 x 600　 48萬(wàn)像素　XGA

15、1024 x 768　 80萬(wàn)像素SXGA 1280 x 1024 130萬(wàn)像素UXGA 1600 x 1200 200萬(wàn)像素,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,圖像分辨率：一般的，假定算法的精度是一個(gè)像素，需要檢測(cè)的某個(gè)方向的尺寸為X，希望檢測(cè)的精度為△X，那么我們需要的分辨率就是： X / △X如，檢測(cè)一個(gè)長(zhǎng)度約為10mm的工件，精度為0.01mm，則圖像需要10/0.01＝1

16、000像素對(duì)于選擇線掃描相機(jī)，水平方向的分辨率計(jì)算如上。垂直方向的分辨率 = 掃描速度/行頻。掃描速度 ： 被測(cè)物體每秒鐘在垂直方向上移動(dòng)的距離。,圖像分辨率,CCD主要概念,三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,最低照度,最低照度是測(cè)量攝像機(jī)感光度的一種方法，換句話說(shuō)，攝像機(jī)在多黑的條件下能看到可用的影像。,普通型 正常工作所需照度 1~3Lux日光型 正常工作所需照度 0.1Lux星光型 正常工作所需照

17、度 0.01Lux紅外型 采用紅外照明，沒(méi)有光線也可成像,當(dāng)被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)電平低到某一規(guī)定值時(shí)的景物光亮度值。,CCD主要參數(shù),三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,相機(jī)鏡頭接口類型,三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,相機(jī)數(shù)據(jù)接口,相機(jī)采集的數(shù)據(jù)及參數(shù)輸出到外部的接口。,三、CCD相機(jī)相關(guān)參數(shù)、概念,相機(jī)數(shù)據(jù)接口,除以上常用接口外，常見(jiàn)的還有模擬相機(jī)用的BNC（Video）接口和12PIN口。,三、