時(shí)間:2020-07-24 11:13:02來源:新機(jī)器視覺網(wǎng)
相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件,其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),相機(jī)的不僅是直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等,同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。
主要參數(shù)
1. 分辨率(Resolution):攝像機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)(Pixels),對于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的,對于模擬攝像機(jī)則是取決于視頻制式,PAL制為768*576,NTSC制為640*480。
2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù),一般常用的是8Bit,對于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。
3. 最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):攝像機(jī)采集傳輸圖像的速率,對于面陣攝像機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec.),對于線陣攝像機(jī)為每秒采集的行數(shù)(Hz)。
4. 曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對于線陣攝像機(jī)都是逐行曝光的方式,可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式,曝光時(shí)間可以與行周期一致,也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間;面陣攝像機(jī)有幀曝光、場曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式,數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能??扉T速度一般可到10微秒,高速攝像機(jī)還可以更快。
5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了攝像機(jī)靶面的大小。目前數(shù)字?jǐn)z像機(jī)像元尺寸一般為3μm-10μm,一般像元尺寸越小,制造難度越大,圖像質(zhì)量也越不容易提高。
6. 光譜響應(yīng)特性(Spectral Range):是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性,一般響應(yīng)范圍是350nm-1000nm,一些攝像機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡,濾除紅外光線,如果系統(tǒng)需要對紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。
機(jī)器視覺系統(tǒng)中常用相機(jī)的分類
1.CCD攝像機(jī),CCD稱為電荷耦合器件,CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲(chǔ)存起來的方法。
2.CMOS攝像機(jī),CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”,CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù),沒有更多的含義。
盡管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”,但是不論CCD或者CMOS對于圖像感應(yīng)都沒有用,真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”,CCD和CMOS傳感器實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”,圖像半導(dǎo)體是一個(gè)P N結(jié)合半導(dǎo)體,能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號的電壓,光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多,電子產(chǎn)生的也越多,從傳感器輸出的電壓也越高。
因?yàn)槿搜勰芸吹?/span>1Lux照度(滿月的夜晚)以下的目標(biāo),CCD傳感器通常能看到的照度范圍在0.1~3Lux,是CMOS傳感器感光度的3到10倍,所以目前一般CCD攝像機(jī)的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS攝像機(jī)。
CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上,具有結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點(diǎn)。CMOS攝像機(jī)存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題,1989年后出現(xiàn)了“有源像敏單元”結(jié)構(gòu),不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開關(guān),而且還有信號放大和處理等電路,提高了光電靈敏度、減小了噪聲,擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍,使得一些參數(shù)與CCD攝像機(jī)相近,而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格方面要優(yōu)于CCD,逐步得到廣泛的應(yīng)用。CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度,因此非常適用于特殊應(yīng)用。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程,直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號,因此就非???,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對于高幀攝像機(jī)非常有用,高幀速度能達(dá)到400到100000幀/秒。
1、IEEE1394
2、USB2.0
面陣攝像機(jī)是我們常見的形式,其像元是按行列整齊排列的,每個(gè)像元對應(yīng)圖像上的一個(gè)像素點(diǎn),我們一般所說的分辨率就是指像元的個(gè)數(shù)。需要指出的是我們計(jì)算機(jī)中的彩色圖像一般是每個(gè)像素點(diǎn)由R、G、B三個(gè)值來表示,但我們一般的彩色攝像機(jī)卻并不是這樣的,下面分別進(jìn)行介紹:
2、采用BAYER轉(zhuǎn)化的單片彩色攝像機(jī),這種攝像機(jī)的每個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際只對應(yīng)R、G、B三種之一的像元,R、G、B三種像元按一定的規(guī)律排列,我們實(shí)際所得到的每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B三原色的數(shù)值是根據(jù)該像素點(diǎn)及其周圍若干點(diǎn)的三色數(shù)值進(jìn)行BAYER插分計(jì)算而來的,所以這種攝像機(jī)所得到的圖像往往不能得到很好的彩色效果,尤其是對應(yīng)邊緣位置會(huì)有較明顯的色彩失真和細(xì)節(jié)的丟失。目前我們常見的彩色攝像機(jī)一般是這種形式的,其價(jià)格和同檔次的黑白攝像機(jī)相近。
3、3CCD彩色攝像機(jī),這種攝像機(jī)每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)有R、G、B三個(gè)感光元件,采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上,分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值(見下圖)。這種攝像機(jī)得到的圖像質(zhì)量好,沒有細(xì)節(jié)丟失的問題,但由于攝像機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機(jī)采用了分光棱鏡的方式,光線到達(dá)每個(gè)CCD靶面的光程是不一樣的,所以需要鏡頭做針對性的設(shè)計(jì)才能達(dá)到比較好的圖像效果,所以使用3CCD的攝像機(jī)還需要配備專用的鏡頭。
光學(xué)鏡頭概述及分類
根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié),可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短,定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標(biāo)準(zhǔn),而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù),所以當(dāng)靶面的大小不等時(shí),其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán),調(diào)節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預(yù)定范圍內(nèi)靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦兩大類。
變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點(diǎn),在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用,所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以最大相對孔徑不能做得太大,致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差,同時(shí)在設(shè)計(jì)中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正,所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。
實(shí)際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內(nèi)有很多的等級,如何選擇合適焦距的鏡頭是在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)主要問題。光學(xué)鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個(gè)基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導(dǎo),對于機(jī)器視覺系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)模型,我們一般是根據(jù)成像的放大率和物距這兩個(gè)條件來選擇合適焦距的鏡頭的。
V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn),一般也用于攝像機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭。
特殊用途的鏡頭
· 顯微鏡頭(Micro),一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統(tǒng)所用,但由于現(xiàn)在的攝像機(jī)的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi),所以一般成像比例大于2:1時(shí)也會(huì)選用顯微鏡頭。
· 微距鏡頭(Macro),一般是指成像比例為2:1~1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)的鏡頭。在對圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下,一般可采用在鏡頭和攝像機(jī)之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達(dá)到放大成像的效果。
· 遠(yuǎn)心鏡頭(Telecentric),主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)的鏡頭,它可以在一定的物距范圍內(nèi),使得到的圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化,這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。
我們在評價(jià)鏡頭質(zhì)量時(shí)一般還會(huì)從分辨率、明銳度和景深等幾個(gè)實(shí)用參數(shù)判斷:
1. 分辨率(Resolution):又稱鑒別率、解像力,指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力,制約鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象,即衍射光斑(愛里斑)。分辨率的單位是“線對/毫米“ (lp/mm)。
2. 明銳度(Acutance):也稱對比度,是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。
3. 景深(DOF):在景物空間中,位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物,還能夠結(jié)成相對清晰的影像。上述位于調(diào)焦物平面前后的能結(jié)成相對清晰影像的景物間之縱深距離,也就是能在實(shí)際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍,稱為景深。
4. 最大相對孔徑與光圈系數(shù):相對孔徑,是指該鏡頭的入射光孔直徑(用D表示)與焦距(用f表示)之比,即:相對孔徑=D/ f 。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)(aperture scale),又稱為f/制光圈系數(shù)或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調(diào)節(jié)的,其最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在鏡頭上,如1:1.2或f/1.2 。如果拍攝現(xiàn)場的光線較暗或曝光時(shí)間很短,則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的鏡頭。
鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系
一個(gè)好的鏡頭,在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現(xiàn),對各種像差的校正也比較好,但同時(shí)其價(jià)格也會(huì)幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗(yàn),就可以使用同檔次的鏡頭達(dá)到更好的效果。
1. 焦距大小的影響情況
· 焦距越小,景深越大;
· 焦距越小,畸變越大;
· 焦距越小,漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重,使像差邊緣的照度降低;
2. 光圈大小的影響情況
光圈越大,圖像亮度越高;
· 光圈越大,景深越??;
· 光圈越大,分辨率越高;
3. 像場中央與邊緣
· 一般像場中心較邊緣分辨率高
· 一般像場中心較邊緣光場照度高
4. 光波長度的影響
在相同的攝像機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下,照明光源的光波波長越短,得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中,盡量采用短波長的單色光作為照明光源,對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。
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