CCD成像原理以及機(jī)器視覺中的相機(jī)選型

新用戶0118F7lQ 2021-08-12

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近年來，隨著人工智能的高速發(fā)展和圖像處理技術(shù)的日益成熟，機(jī)器視覺在自動化領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。機(jī)器視覺被用于代替人工視覺，使機(jī)器人能夠完成以往只有人工才能完成的任務(wù)，這大大減少了在危險環(huán)境下工作的風(fēng)險。同時，在來料無序或工作環(huán)境雜亂的情況下，機(jī)器視覺可以顯著提高生產(chǎn)效率和自動化柔性程度。隨著人們對工業(yè)設(shè)計水平和生產(chǎn)效率需求的日益提高，機(jī)器視覺正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜繁瑣的自動化模式，成為當(dāng)今的主要發(fā)展趨勢。

機(jī)器視覺是一項綜合的技術(shù)，包括數(shù)字圖像處理，傳感器，光學(xué)成像，智能判斷，計算機(jī)硬件等。一個典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括光源，鏡頭，相機(jī)，視覺服務(wù)器等。作為機(jī)器視覺的感知器，相機(jī)和鏡頭在采集信息環(huán)節(jié)發(fā)揮主要作用。相機(jī)和鏡頭參數(shù)以及型號的選擇將直接影響后續(xù)的圖像處理和智能判斷等環(huán)節(jié)。所以在使用視覺系統(tǒng)前，要首先確定相機(jī)和鏡頭的各項參數(shù)。

這篇文章將從CCD相機(jī)的成像原理出發(fā)，介紹相機(jī)和鏡頭的各項產(chǎn)品參數(shù)會對視覺系統(tǒng)以及最終結(jié)果產(chǎn)生的影響。以及，在實際運用中，我們?nèi)绾胃鶕?jù)客戶的需求以及對生產(chǎn)環(huán)境的觀察和測量來選擇合適的相機(jī)和鏡頭。

相機(jī)篇

01 CCD相機(jī)成像

以面陣相機(jī)為例，相機(jī)內(nèi)部有一塊由N行M列感光單元（CCD）組成的圖像傳感器（image sensor）。如下圖紅色格子所示，每一個小格子代表一個CCD感光單元，CCD的個數(shù)即為相機(jī)的像素，相機(jī)分辨率則指的是單位長度（圖像傳感器的單位長度）上像素的個數(shù)。比如一個相機(jī)有1280*1024個CCD感光單元，則該相機(jī)像素為130W。

光源照射到物體上，不同材質(zhì)和顏色的物體對光源產(chǎn)生不同的反射，這些由物體反射出來的光穿過鏡頭照射到CCD上，使CCD產(chǎn)生電信號。CCD控制芯片將單次成像產(chǎn)生的電信號收集起來統(tǒng)一傳送到放大器（amplifier）進(jìn)行放大和降噪。經(jīng)過一些列的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），電信號被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這些值就是初始的圖像數(shù)據(jù)。將初始圖像數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字處理器(DSP)進(jìn)行色彩校正以及白平衡等處理后編碼為相機(jī)所支持的圖片格式并儲存到儲存器上。

（模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號的大小和電信號的大小成正比）

（CCD成像流程）

02 相機(jī)選型，像素與精度

正如之前所說，像素是指圖像傳感器上CCD的個數(shù)，圖像傳感器一般為一個4:3的矩形，所以相機(jī)像素分為橫向和縱向（X和Y方向）。一般來說，像素越多就能看到單位面積上更多的細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)就決定了系統(tǒng)精度。舉例說明，現(xiàn)在有大小為100mm*100mm的視野范圍，精度要求0.1mm。則圖像傳感器每個方向上CCD的個數(shù)至少為100/0.1 = 1000。為了配合后續(xù)的邊緣提取等圖像處理，一般會要求3倍的像素，即

X方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（X方向）/精度（X方向）= 3000

Y方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（Y方向）/精度（Y方向）= 3000

可以選擇像素為3000*3000以上的相機(jī)。

一些特殊場景的處理：

Case1 如果算出X,Y方向的像素差距很大，比如

X方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（X方向）/精度（X方向）= 3000

Y方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（Y方向）/精度（Y方向） = 1000

A : 4160 *3120 or B: 1280*980 ?

此時應(yīng)該選A，寧可像素有較多剩余也不能選小于計算結(jié)果的相機(jī)

Case2 如果像素要求過大，比如

X方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（X方向）/精度（X方向）= 30000

Y方向CCD個數(shù)=3x視野范圍（Y方向）/精度（Y方向） = 30000

此時較難找到符合要求的相機(jī)。相應(yīng)的方法是使用多個相機(jī)，將視野范圍分割為多塊，每個相機(jī)負(fù)責(zé)采集一塊視野范圍，從而降低對每個相機(jī)像素的要求。

03 快門速度與移動物體拍攝

在拍攝移動物體時，經(jīng)常會得到一張帶“重影”的照片

這是因為相機(jī)在成像時，物體已經(jīng)移動到了下一個位置。重影將對精度和結(jié)果產(chǎn)生極差的影響，為了避免重影，若拍攝的是移動物體，則需要在物體移動到下一個位置前結(jié)束本次成像。相機(jī)中決定成像速度的參數(shù)是快門速度，物體移動速度越快，則對快門速度要求越高。

既然要在物體移動到下一個位置前結(jié)束成像，首先我們要算出物體在圖片上移動一個像素對應(yīng)在現(xiàn)實世界中移動的距離。這一過程被稱為標(biāo)定像素當(dāng)量，它表示圖像中一個像素點代表的實際物理尺寸，比如0.000625mm/pixel。

假設(shè)物體在現(xiàn)實世界中的移動速度為0.5mm/s，當(dāng)物體在成像時間內(nèi)在圖像上移動超過1個像素則會出現(xiàn)重影，所以成像速度至少為0.000625*1/0.5mm=0.00125s。（路程/速度=時間）。

以上便是機(jī)器視覺中相機(jī)選型部分

下期，我們將在下一篇中給大家介紹鏡頭選型。

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