2、相機(jī)

這里所說(shuō)的相機(jī)主要指工業(yè)相機(jī)/攝像機(jī)，相比與民用的相機(jī)/攝像機(jī)它有高的圖像穩(wěn)定性、圖像質(zhì)量、傳輸能力和抗干擾能力等，因而價(jià)格也相比民用相機(jī)貴。以前的相機(jī)多是基于是顯像管的。

如今，隨著固體成像器件的發(fā)展，市面上大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。CCD是目前機(jī)器視覺(jué)最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。

CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類(lèi)成像器件通過(guò)光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無(wú)灼傷、無(wú)滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS圖像傳感器的開(kāi)發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初。90 年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。

目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

相機(jī)按照芯片類(lèi)型、傳感器結(jié)構(gòu)特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號(hào)方式、輸出色彩、輸出信號(hào)速度、響應(yīng)頻率范圍等有著不同的分類(lèi)方法：按照芯片類(lèi)型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見(jiàn)光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)。

在下面的章節(jié)中，將以目前應(yīng)用較普遍的CCD相機(jī)為主來(lái)介紹工業(yè)相機(jī)。用于數(shù)字圖像處理的CCD相機(jī)一般由兩部分組成：圖像獲取單元和圖像輸出單元。

圖像獲取

與顯像管比較，CCD芯片由獨(dú)立的光敏元件構(gòu)成，每一個(gè)光敏元件表示一個(gè)像素，因此能夠傳輸二維的離散圖像。而且體積、重量都比較小，具有高動(dòng)態(tài)、高線性，對(duì)機(jī)械、磁場(chǎng)、光影響不敏感。并且由于市場(chǎng)的大量生產(chǎn)，CCD相機(jī)也相對(duì)便宜一些。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。

下圖為CCD實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的示意圖,可以形象地喻為往井或桶內(nèi)注水，因而半導(dǎo)體物理中用“勢(shì)阱”的概念描述用來(lái)收集光激發(fā)電荷的積分區(qū)域，其中單個(gè)像素所能存儲(chǔ)的最大光電荷量（不向其鄰近像素溢出），也稱(chēng)為“滿(mǎn)阱容量”。CCD的光敏單元收集光子與產(chǎn)生的電子數(shù)目有良好的線性關(guān)系，通常來(lái)說(shuō)，2個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子，在輸出單元50000個(gè)電子產(chǎn)生一個(gè)1伏的視頻信號(hào)，增益為1：1。由于熱效應(yīng)產(chǎn)生附加的光子，即暗電流，就會(huì)產(chǎn)生不期望的噪聲。因此采用CCD芯片這種非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)不用照明，普通的CCD即使在室溫的條件下一分鐘內(nèi)就可完全充滿(mǎn)電子，而且大約溫度每增加7攝氏度,暗電流就會(huì)加倍，這就是說(shuō)芯片的溫度升高，噪聲就會(huì)急劇增加。因此，為了控制暗電流，控制一個(gè)比較短的曝光時(shí)間非常重要。

傳統(tǒng)控制曝光時(shí)間的方法是利用機(jī)械快門(mén)，而如今CCD芯片多采用電子曝光控制，即電子快門(mén)。在手工操作模式，用戶(hù)通常可以選擇比如1/50、1/100、1/500秒的一些離散的快門(mén)速度（積分時(shí)間）；而在自動(dòng)電子快門(mén)模式快門(mén)速度能夠根據(jù)入射光的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整。如果光的強(qiáng)度太弱，則可以通過(guò)長(zhǎng)積分時(shí)間模式或控制增益的方式來(lái)增強(qiáng)弱的CCD信號(hào)。

當(dāng)完成對(duì)光敏元區(qū)域的掃描后，CCD將光電荷從光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移至屏蔽存儲(chǔ)區(qū)域。而后，光電荷被按順序轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，電荷耦合器件（CCD）正是由這種電荷耦合式的轉(zhuǎn)移方式，通過(guò)在按一定的時(shí)序在電極上施加高低電平，可使光電荷在相鄰的勢(shì)阱間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，下圖為目前廣泛采用的三相電極傳送方式。

三相CCD中光電荷的轉(zhuǎn)移

CCD的光敏區(qū)域有一維線陣排列和二維面陣排列兩種，與其對(duì)應(yīng)的就是線陣（線掃描）相機(jī)和面陣（面掃描）相機(jī)。圖所示就是兩種較典型的線陣CCD，通常是由512、1024、2048、4096等個(gè)像敏元呈一維排列。光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)——移位寄存器是分開(kāi)的，移位寄存器被遮擋。圖中左側(cè)所示的單通道線陣CCD中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來(lái)時(shí)，線陣光敏陣列勢(shì)阱中的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到同一個(gè)CCD移位寄存器中，最后在時(shí)鐘脈沖的作用下一位位地移出器件，形成視頻脈沖信號(hào)，而在下圖中左側(cè)所示的雙通道線陣CCD中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來(lái)時(shí)，線陣光敏陣列勢(shì)阱中的奇偶位的信號(hào)電荷分別并行轉(zhuǎn)移到不同CCD移位寄存器中，最后再合并為視頻信號(hào)輸出，這樣可以提高傳輸速度，目前不僅有雙通道，甚至有四通道、八通道的線陣相機(jī)以加速線陣CCD的傳輸速度。

線陣CCD結(jié)構(gòu)（左為單溝道、右為雙溝道）

而對(duì)于面陣CCD相機(jī)，顧名思義其像元呈二維陣列分布，下圖所示為三種典型的面陣CCD結(jié)構(gòu)，最左邊為楨轉(zhuǎn)移型面陣CCD，它由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成，它的光存儲(chǔ)區(qū)域與光敏像素區(qū)域分開(kāi)，因此能夠有較大的填充因子和較高的勢(shì)阱容量模傳遞函數(shù)MTF較高的優(yōu)點(diǎn)，幀轉(zhuǎn)移型CCD的缺點(diǎn)就是快門(mén)速度不快，并且制造的體積要稍大，就增加了成本；

中間的為全幀型面陣CCD，當(dāng)積分完成后通過(guò)快門(mén)屏蔽入射光然后開(kāi)始進(jìn)行行轉(zhuǎn)移，他可以具有比較大的光敏區(qū)域比例；最右邊為行間轉(zhuǎn)移型CCD，每列像敏單元的旁邊都有一個(gè)垂直移位寄存器，行間轉(zhuǎn)移CCD只需要約1uS的時(shí)間就可完成光電荷至垂直移位寄存器的轉(zhuǎn)移，從而很好地解決了幀轉(zhuǎn)移CCD因轉(zhuǎn)移速度不夠快而帶來(lái)的圖像模糊問(wèn)題。同時(shí)，由于行間轉(zhuǎn)移CCD的垂直移位寄存器所占的面積均被遮蔽，所以其對(duì)輸入光的利用率以及像素密度相對(duì)較低。

![圖片]

面陣CCD結(jié)構(gòu)（左為楨轉(zhuǎn)移、中為全楨轉(zhuǎn)移、右為行間轉(zhuǎn)移）

CCD芯片總會(huì)給出一些基本參數(shù)或特性，您想知道某種CCD相機(jī)是否能夠滿(mǎn)足您的應(yīng)用，那么這些參數(shù)或特性正是您所要關(guān)心的。

CCD芯片的基本參數(shù)之一就是分辨率，單位為有效像素。以面陣相機(jī)為例，支持CCIR制式的相機(jī)能夠提供768×576有效像素的圖像輸出，支持RS-170（EIA）制式的相機(jī)能夠提供640×480有效像素的圖像輸出，比較常見(jiàn)的百萬(wàn)像素相機(jī)可以提供1280 × 1024有效像素。

有效像素區(qū)域的大小，即CCD芯片尺寸同樣是一個(gè)重要的參數(shù)。下圖所示的一些常見(jiàn)面陣CCD芯片尺寸，通常都會(huì)以英寸表示，圖中分別對(duì)應(yīng)了其實(shí)際尺寸。

常見(jiàn)面陣CCD芯片尺寸

頻譜響應(yīng)特性是另外一個(gè)重要的光學(xué)參數(shù)。圖中所示的實(shí)線是典型CCD芯片的頻譜響應(yīng)。通常，為了使CCD與人眼的頻譜相似（即使CCD獲取的照片更有真實(shí)感）或者排除溫度等對(duì)CCD相機(jī)的影響，相機(jī)中會(huì)提供一個(gè)紅外濾波片來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖中點(diǎn)劃線所示。假如有一些應(yīng)用需要對(duì)近紅外光（NIR）有高的頻譜響應(yīng)來(lái)達(dá)到圖像效果，在這種情況下，就需要一個(gè)峰值大約750納米的CCD芯片，這種芯片還可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CCD芯片技術(shù)達(dá)到，因而價(jià)格相比還不是很貴。但標(biāo)準(zhǔn)CCD技術(shù)對(duì)紫外光(UV)以及中（MIR）、遠(yuǎn)紅外光（FIR）是不適用的，這些區(qū)域需要特殊的CCD器件或者完全不同的技術(shù),因而價(jià)格也貴很多。

常見(jiàn)CCD芯片頻譜響應(yīng)曲線

CCD芯片本身沒(méi)有區(qū)分顏色的能力，比如說(shuō)，不同的波長(zhǎng)就產(chǎn)生不同的光子能量。因此，要通過(guò)CCD獲得顏色信息，就必須獲取混合光中三基色（RGB）分量。彩色CCD芯片獲取RGB信息通常有兩種方法：最常見(jiàn)的也是相對(duì)簡(jiǎn)單就是在CCD相鄰像素上依次加上紅、綠、藍(lán)色的濾波片（mosaic filters），在一個(gè)芯片上將彩色分量分離，這樣我們就得到與我們眼睛看到的相似的紅綠藍(lán)相鄰像素，使用這種技術(shù)的相機(jī)比較便宜，而且不需要特殊的鏡頭，缺點(diǎn)就是分辨率比較低。而獲取高分辨率的彩色圖像則多利用三CCD技術(shù)，利用棱鏡將進(jìn)入相機(jī)的光分成三種顏色，三種顏色的光分別映射到另外三個(gè)獨(dú)立的CCD芯片，利用這種技術(shù)的相機(jī)能夠保證高的質(zhì)量，不過(guò)價(jià)格也較高，另外，需要使用特殊的鏡頭。

如果您的應(yīng)用有高分辨率圖像的需要，通常的標(biāo)準(zhǔn)視頻制式的工業(yè)相機(jī)可能不能獲得。您可以通過(guò)采用高分辨率的面陣CCD相機(jī)，也可以采用線陣CCD相機(jī)，通常采用線陣CCD不僅價(jià)格相對(duì)便宜，也容易獲取高一些的速度。來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，不知來(lái)源，講述機(jī)器視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)。