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機器視覺硬件:工業相機的分類

機器視覺硬件:工業相機的分類

2022/5/12 13:58:08

相機是機器視覺系統的核心部件,廣泛應用于各個領域,尤其是用于生產監控、測量任務和質量控制等。工業數字相機通常比常規的標準數字相機更加堅固耐用。這是因為它們必須能夠應對各種復雜多變的外部影響,如應用于高溫、高濕、粉塵等惡劣環境。工業相機的分類形式有很多,下面是常見的一些分類方式。

 

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面陣相機和線陣相機

 

面陣相機與線陣相機的區別在于前者是以面為單位進行圖像采集,可以直接獲得完整的二維圖像信息,后者的以為單位,雖然也是二維圖形,但長度較長,而寬度卻只有幾個像素。這是因為線陣相機的傳感器只有一行感光元素。

 

雖然面陣相機的像元總數較多,但分布到每一行的像素單元卻少于線陣相機,因此面陣相機的分辨率和掃描頻率一般低于線陣相機。

 

由于線陣相機的感光元素呈現狀,采集到的圖像信息也是線狀,為了采集完整的圖像信息,往往需要配合掃描運動。如采集勻速直線運動金屬、纖維等材料的圖像。線陣圖像傳感器以CCD為主,市場上曾經也出現過一些線陣CMOS圖像傳感器,但是,線陣CCD仍是主流。

 

目前,陷陣CCD加掃描運動獲取圖像的方案應用廣泛,尤其在要求視場范圍大、圖像分辨率高的情況下。面陣相機可以用于面積、形狀、位置測量或表面質量檢測等,直接獲取二維圖形能一定程度上減少圖像處理算法的復雜度。在實際的工程應用當中,需要根據工程需求選擇。

 

黑白相機和彩色相機

 

黑白相機和彩色相機很容易理解,輸出圖像是黑白的就是黑白相機,彩色的就是彩色相機。

 

先來看簡單的黑白相機,當光線照射到感光芯片時,光子信號會轉換成電子信號。由于光子的數目與電子的數目成比例,主要統計出電子數目就能形成反應光線強弱的黑白圖像。經過相機內部的微處理器處理,輸出就是一幅數字圖像。在黑白相機中,光的顏色信息是沒有被保留的。

 

實際上CCD是無法區分顏色的,只能感受到信號的強弱。在這種情況下為了采集彩色圖像,理論上可以使用分光棱鏡將光線分成光學三原色(RGB),接著使用三個CCD去分別感知強弱,最好在綜合到一起。這種方案理論上可行,但是采用3CCD加分光棱鏡使得成本驟增。最好的辦法是僅使用一個CCD也能輸出各種彩色分量。

 

CCDCMOS

 

圖像傳感器是工業相機的核心元件,主要有CCDCMOS兩種。

 

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補金屬氧化物半導體,CMOS 圖像傳感器陣面中的每一個像元都是由三個部分組合而成,分別是感光二極管、放大器和讀出電路,然而由于每個單元獨立輸出,這也使得每個放大器的輸出結果都不盡相同,所以 CMOS 陣列所獲取的圖像噪聲較大,圖像的質量也相對降低,但是,對于一般的精度要求,還是可以滿足的。

 

在集成電路領域中,CMOS采用的工藝是最基本的工藝,工藝相對來說不復雜,所以成本也不高,光電靈敏度較高等優點。它的一些性能參數也在不斷被優化,應用也越來越廣,總體來說,CMOS 的性價比還是較高的。

 

CCD Charge-coupled Device)的全名是電荷耦合器件。CCD是一種半導體器件,能夠把光學影像轉化為數字信號,CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel),一塊CCD上包含的像素數越多,其提供的畫面分辨率也就越高。CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。

 

盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大,復雜性提高,但在電路設計時可更加靈活,可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域,如天文,高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光,對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。

 

目前,CCD在性能方面還仍然優于CMOS。不過,隨著CMOS圖像傳感器技術的不斷進步,在其本身具備的集成性、低功耗、低成本的優勢基礎上,噪聲與敏感度方面有了很大的提升,與CCD傳感器差距不斷縮小。

 

審核編輯(
王靜
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