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机器视觉硬件:工业相机分类

相机是机器视觉系统的核心部件,广泛应用于各个领域,尤其是用于生产监控、测量任务和质量控制等。工业数字相机通常比常规的标准数字相机更加坚固耐用。这是因为它们必须能够应对各种复杂多变的外部影响,如应用于高温、高湿、粉尘等恶劣环境。工业相机的分类形式有很多,下图是常见的一些分类方式。

机器视觉硬件:工业相机分类

(图片来源:OFweek维科网)

面阵相机和线阵相机

面阵相机与线阵相机的区别在于前者是以面为单位进行图像采集,可以直接获得完整的二维图像信息,后者的以“线”为单位,虽然也是二维图形,但长度较长,而宽度却只有几个像素。这是因为线阵相机的传感器只有一行感光元素。虽然面阵相机的像元总数较多,但分布到每一行的像素单元却少于线阵相机,因此面阵相机的分辨率和扫描频率一般低于线阵相机。

由于线阵相机的感光元素呈现“线”状,采集到的图像信息也是线状,为了采集完整的图像信息,往往需要配合扫描运动。如采集匀速直线运动金属、纤维等材料的图像。线阵图像传感器以CCD为主,市场上曾经也出现过一些线阵CMOS图像传感器,但是,线阵CCD仍是主流。目前,陷阵CCD加扫描运动获取图像的方案应用广泛,尤其在要求视场范围大、图像分辨率高的情况下。面阵相机可以用于面积、形状、位置测量或表面质量检测等,直接获取二维图形能一定程度上减少图像处理算法的复杂度。在实际的工程应用当中,需要根据工程需求选择。

黑白相机和彩色相机

黑白相机和彩色相机很容易理解,输出图像是黑白的就是黑白相机,彩色的就是彩色相机。

先来看简单的黑白相机,当光线照射到感光芯片时,光子信号会转换成电子信号。由于光子的数目与电子的数目成比例,主要统计出电子数目就能形成反应光线强弱的黑白图像。经过相机内部的微处理器处理,输出就是一幅数字图像。在黑白相机中,光的颜色信息是没有被保留的。

实际上CCD是无法区分颜色的,只能感受到信号的强弱。在这种情况下为了采集彩色图像,理论上可以使用分光棱镜将光线分成光学三原色(RGB),接着使用三个CCD去分别感知强弱,最好在综合到一起。这种方案理论上可行,但是采用3个CCD加分光棱镜使得成本骤增。最好的办法是仅使用一个CCD也能输出各种彩色分量。

CCD和CMOS

图像传感器是工业相机的核心元件,主要有CCD和CMOS两种。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补金属氧化物半导体,CMOS 图像传感器阵面中的每一个像元都是由三个部分组合而成,分别是感光二极管、放大器和读出电路,然而由于每个单元独立输出,这也使得每个放大器的输出结果都不尽相同,所以 CMOS 阵列所获取的图像噪声较大,图像的质量也相对降低,但是,对于一般的精度要求,还是可以满足的。在集成电路领域中,CMOS采用的工艺是最基本的工艺,工艺相对来说不复杂,所以成本也不高,光电灵敏度较高等优点。它的一些性能参数也在不断被优化,应用也越来越广,总体来说,CMOS 的性价比还是较高的。

CCD (Charge-coupled Device)的全名是电荷耦合器件。CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号,CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel),一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD提供很好的图像质量、抗噪能力和相机设计时的灵活性。尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大,复杂性提高,但在电路设计时可更加灵活,可以尽可能的提升CCD相机的某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域,如天文,高清晰度的医疗X光影像、和其他需要长时间曝光,对图像噪声要求严格的科学应用。

目前,CCD在性能方面还仍然优于CMOS。不过,随着CMOS图像传感器技术的不断进步,在其本身具备的集成性、低功耗、低成本的优势基础上,噪声与敏感度方面有了很大的提升,与CCD传感器差距不断缩小。

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