机器视觉-相机&镜头

视觉系统组成部分

• 照明光源
• 镜头
• 工业摄像机
• 图像采集卡（处理卡）
• 图像处理系统
• 其他外部设备

相机

• CCD（charge coupled device）
• CMOS（complementary metal oxide semiconductor）

CCD

定义：

CCD是固体成像器件

原理

以电荷为信号，通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大，输出图像信号

组成

光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、A/D数字信号处理电路

特点

无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗

CMOS

组成

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光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数电路、图像信号处理器及控制器集成在一个芯片上

优点

局部像素可编程随机访问，良好的继承性、低功耗、高速传输和动态范围
应用在高分辨率和高速场合

相机分类

芯片
CCD、CMOS

传感器结构特性
线阵、面阵

扫描方式
隔行扫描、逐行扫描

分别率大小
普通、高分别率

输出信号方式
模拟相机、数字相机

输出色彩
单色、彩色

输出信号速度
普通、高速

响应频率范围
可见光、红外、紫外

工业相机区别

• 快门时间非常短
• 逐行扫描（普通相机隔行扫描）
• 高帧率
• 输出的裸数据，光谱范围比较宽

工业相机的选择

CCD

应用于运动物体的图像提取
主要是自动化方案
CMOS也在发展

CMOS

功耗低也在发展

分辨率

首先考虑目标的精度，根据精度选择分别率

$相机像素精度=\frac{单方向视野范围大小}{相机单方向分辨率}$

$相机单方向分辨率=\frac{单方向视野范围大小}{理论精度}$

单视野5mm，理论精度0.02mm， $单方向视野分辨率=\frac{5}{0.02}=250$

为增加系统的稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高，则但方向分辨率=1000

传感器芯片尺寸

传感器芯片尺寸小于或等于镜头尺寸

帧数

分辨率越高，帧数越低

镜头

镜头接口

两种工业标准

• C接口
• CS接口

镜头尺寸

TOF

3D激光传感器是逐点扫描
TOF相机同时得到整幅图像的深度信息
双目立体测量通过左右立体像对匹配后，进过三角测量法来进行立体探测

TOF工作原理

• 采用主动光探测方式，通过入射光、反射光信号的变化来进行距离测量，所以TOF的照射单元是对光进行高频调制之后再进行发射
• TOF相机芯片前端，需要一个搜集光线的镜头，且加一个带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光进入
• TOF芯片对每一个像元对入射光往返相机与物体之间的相位分别进行记录
• TOF包含多个快门，用来在不同时间采样反射光线

TOF特点
芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大，照射单元和TOF传感器

TOF优点

• 拥有距离信息，能够反映物体之间更加复杂的位置关系，能够区分前景和背景
• 经过进一步深化处理，可以完成三维建模
• 快速完成对目标的识别与追踪
• 配件成本低
• 借助CMOS特性，可以获取大量数据及信息，对复杂物体的姿态判断极为有效
• 无需扫描设备辅助工作

TOF优点

• 造价高，影响普及率
• 受硬件发展限制
• 测量距离短，不超过10m
• 测量结果受被测物性质的影响
• 受外界环境干扰影响，即外界光源的影响
• 分辨率较低
• 系统误差及随机误差对结果影响明显，需要进行后期数据处理