一．工業CCD的組成：

典(dian)型的機器視覺(jue)系統(tong)可以(yi)分為：圖像(xiang)(xiang)采(cai)集部(bu)(bu)分、圖像(xiang)(xiang)處理(li)部(bu)(bu)分和運動控(kong)制部(bu)(bu)分。基于PC的視覺(jue)系統(tong)具體由如下圖所示的幾部(bu)(bu)分組成：

①工業(ye)相(xiang)機(ji)與工業(ye)鏡頭——這部分(fen)屬于成像(xiang)器件，通(tong)常(chang)的(de)視覺系統(tong)都(dou)是由一套或者多套這樣的(de)成像(xiang)系統(tong)組(zu)成，如果有多路(lu)相(xiang)機(ji)，可(ke)能(neng)由圖(tu)像(xiang)卡切換來獲(huo)取圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)，也(ye)(ye)可(ke)能(neng)由同步(bu)控制同時獲(huo)取多相(xiang)機(ji)通(tong)道的(de)數(shu)據(ju)。根據(ju)應用的(de)需要相(xiang)機(ji)可(ke)能(neng)是輸出標準(zhun)的(de)單色(se)視頻（RS-170/CCIR）、復合信(xin)號(hao)(hao)（Y/C）、RGB信(xin)號(hao)(hao)，也(ye)(ye)可(ke)能(neng)是非標準(zhun)的(de)逐行掃(sao)描信(xin)號(hao)(hao)、線掃(sao)描信(xin)號(hao)(hao)、高分(fen)辨率(lv)信(xin)號(hao)(hao)等。

②光(guang)(guang)(guang)源——作(zuo)為輔(fu)助成(cheng)像器件，對成(cheng)像質量的(de)好壞往(wang)往(wang)能(neng)起到(dao)(dao)至(zhi)關重要的(de)作(zuo)用(yong)（有資(zi)料認為，光(guang)(guang)(guang)源對成(cheng)像起到(dao)(dao)的(de)作(zuo)用(yong)能(neng)占到(dao)(dao)30%+），各(ge)種形狀的(de)LED燈、高頻熒(ying)光(guang)(guang)(guang)燈、光(guang)(guang)(guang)纖鹵(lu)素燈等都容易(yi)得到(dao)(dao)。

③傳感器——通(tong)常以光纖開(kai)關(guan)、接近(jin)開(kai)關(guan)等的(de)形式出現，用以判斷被測對(dui)象(xiang)的(de)位(wei)置(zhi)和狀態（外部觸發），告知(zhi)圖像傳感器進行正確(que)的(de)采集。

④圖(tu)(tu)像(xiang)采(cai)集卡(ka)——通(tong)常以(yi)(yi)插入卡(ka)的(de)(de)(de)形式(shi)安裝(zhuang)在PC中，圖(tu)(tu)像(xiang)采(cai)集卡(ka)的(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要工作是把相機(ji)輸(shu)出的(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)輸(shu)送給電腦(nao)主(zhu)(zhu)機(ji)。它(ta)將來自相機(ji)的(de)(de)(de)模擬或數字信號(hao)轉換成一定格式(shi)的(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)數據流(liu)，同(tong)時(shi)它(ta)可以(yi)(yi)控制相機(ji)的(de)(de)(de)一些(xie)參(can)數，比如觸(chu)發信號(hao)，曝光/積(ji)分時(shi)間，快門速度等。圖(tu)(tu)像(xiang)采(cai)集卡(ka)通(tong)常有(you)不同(tong)的(de)(de)(de)硬件結(jie)構以(yi)(yi)針對不同(tong)類型的(de)(de)(de)相機(ji)，同(tong)時(shi)也(ye)有(you)不同(tong)的(de)(de)(de)總線形式(shi)，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平(ping)臺——電腦(nao)是一個(ge)PC式視覺系統的(de)(de)(de)(de)核心，在這里完成圖像數據的(de)(de)(de)(de)處(chu)理和絕大部(bu)分的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)邏輯，對于檢(jian)測(ce)類型(xing)的(de)(de)(de)(de)應用，通常都需要較高頻率的(de)(de)(de)(de)CPU，這樣可以減少處(chu)理的(de)(de)(de)(de)時間。同時，為了減少工業現場電磁、振動(dong)、灰(hui)塵(chen)、溫(wen)度等(deng)的(de)(de)(de)(de)干(gan)擾，必須選擇工業級(ji)的(de)(de)(de)(de)電腦(nao)。

⑥視(shi)(shi)覺處(chu)理軟件(jian)——機(ji)器視(shi)(shi)覺軟件(jian)用來(lai)完成輸(shu)(shu)入的(de)圖(tu)(tu)像數據(ju)的(de)處(chu)理，然后通過一定的(de)運算(suan)得出結(jie)果，這個輸(shu)(shu)出的(de)結(jie)果可能是(shi)PASS/FAIL信號、坐標位(wei)置、字符串等。常見的(de)機(ji)器視(shi)(shi)覺軟件(jian)以(yi)C/C++圖(tu)(tu)像庫，ActiveX控件(jian)，圖(tu)(tu)形式(shi)編程環境等形式(shi)出現，可以(yi)是(shi)專用功能的(de)（比如僅(jin)僅(jin)用于貼合(he)，視(shi)(shi)覺引(yin)導，色差識別等），也可以(yi)是(shi)通用目的(de)的(de)（包(bao)括視(shi)(shi)覺定位(wei)、測(ce)量、識別、檢測(ce)等）。

⑦控(kong)制(zhi)單元（包(bao)含I/O、運動(dong)控(kong)制(zhi)、電平轉(zhuan)化單元等(deng)）——一旦視覺軟(ruan)件完成圖(tu)像(xiang)分析（除非(fei)僅用(yong)于監(jian)控(kong)），緊接(jie)著需要和外部單元進行通(tong)信以完成對生產(chan)過程的(de)(de)控(kong)制(zhi)（輸出OK、NG信號）。簡單的(de)(de)控(kong)制(zhi)可以直接(jie)利用(yong)部分圖(tu)像(xiang)采(cai)集卡自(zi)帶的(de)(de)I/O，相對復雜的(de)(de)邏輯(ji)/運動(dong)控(kong)制(zhi)則(ze)必須依靠附加可編程邏輯(ji)控(kong)制(zhi)單元/運動(dong)控(kong)制(zhi)卡來實現(xian)必要的(de)(de)動(dong)作(zuo)。

工業相機原理簡述

工業相(xiang)機其最(zui)本質(zhi)的(de)(de)(de)(de)功能就是將光(guang)信(xin)號轉(zhuan)變(bian)成有序的(de)(de)(de)(de)電信(xin)號。選擇合適的(de)(de)(de)(de)相(xiang)機也(ye)是機器視覺(jue)系(xi)統設(she)計中的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)環節，相(xiang)機的(de)(de)(de)(de)選擇不(bu)僅直(zhi)接決定所采集到的(de)(de)(de)(de)圖像分辨率(lv)、圖像質(zhi)量等(deng)，同時也(ye)與整(zheng)個系(xi)統的(de)(de)(de)(de)運行模式(shi)直(zhi)接相(xiang)關。

1．相機的芯(xin)片類型：

一般(ban)情況下，工業相(xiang)機(ji)(ji)(ji)按照(zhao)論市(shi)場主流芯片(pian)類型(xing)可以(yi)分為CCD相(xiang)機(ji)(ji)(ji)和(he)CMOS相(xiang)機(ji)(ji)(ji)，當然也(ye)有一些其(qi)他的芯片(pian)，比(bi)如富士公司生(sheng)產(chan)的Super CCD芯片(pian)。數碼(ma)相(xiang)機(ji)(ji)(ji)的CCD和(he)CMOS都(dou)深藏于相(xiang)機(ji)(ji)(ji)內部，就(jiu)算有機(ji)(ji)(ji)會(hui)看到(dao)它們的樣子，也(ye)很難進行(xing)區分。

CCD芯片工作原理，如(ru)圖所(suo)示(shi)：

在(zai)感(gan)光(guang)(guang)像(xiang)點(dian)接(jie)受光(guang)(guang)照之后(hou)(hou)，感(gan)光(guang)(guang)元(yuan)(yuan)件(jian)產生(sheng)對應的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)大(da)(da)小(xiao)與光(guang)(guang)強對應，因(yin)此感(gan)光(guang)(guang)元(yuan)(yuan)件(jian)直(zhi)接(jie)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)是模(mo)擬(ni)的(de)(de)(de)(de)。在(zai)CCD傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)，每一(yi)(yi)個(ge)感(gan)光(guang)(guang)元(yuan)(yuan)件(jian)都(dou)(dou)不對此作進(jin)一(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)處(chu)(chu)理(li)(li)，而(er)是將(jiang)它直(zhi)接(jie)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)到垂直(zhi)寄存器(qi)(qi)(qi)，傳到水平寄存器(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)，最(zui)后(hou)(hou)才能形(xing)成統一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)。由(you)于感(gan)光(guang)(guang)元(yuan)(yuan)件(jian)生(sheng)成的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)實在(zai)太微弱(ruo)了加上在(zai)此過(guo)程中(zhong)(zhong)會產生(sheng)大(da)(da)量電(dian)(dian)(dian)(dian)壓損耗，無法直(zhi)接(jie)進(jin)行(xing)模(mo)數(shu)(shu)轉(zhuan)換(huan)(huan)工作，因(yin)此這些輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)數(shu)(shu)據必須做(zuo)統一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)放(fang)大(da)(da)處(chu)(chu)理(li)(li)—這項任(ren)務是由(you)CCD傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)專門負(fu)責，經放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)處(chu)(chu)理(li)(li)之后(hou)(hou)，每個(ge)像(xiang)點(dian)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)信號(hao)強度都(dou)(dou)獲得同樣幅度的(de)(de)(de)(de)增大(da)(da)；因(yin)信號(hao)只通過(guo)一(yi)(yi)個(ge)放(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)(qi)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)(da)，所以產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)噪點(dian)較少。但由(you)于CCD本身無法將(jiang)模(mo)擬(ni)信號(hao)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)換(huan)(huan)為(wei)數(shu)(shu)字信號(hao)，因(yin)此還需要一(yi)(yi)個(ge)專門的(de)(de)(de)(de)模(mo)數(shu)(shu)轉(zhuan)換(huan)(huan)芯(xin)片(pian)進(jin)行(xing)處(chu)(chu)理(li)(li)，最(zui)終以二進(jin)制(zhi)數(shu)(shu)字圖像(xiang)矩(ju)陣(zhen)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式輸(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)給(gei)專門的(de)(de)(de)(de)DSP處(chu)(chu)理(li)(li)芯(xin)片(pian)。

CMOS工作(zuo)原理，如圖(tu)所示：

對(dui)于(yu)CMOS傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)，上述工作流程(cheng)就(jiu)完全(quan)不(bu)適用了。CMOS傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)中每(mei)一個感(gan)(gan)光(guang)元件(jian)(jian)都(dou)(dou)直接(jie)(jie)整合了放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)和(he)模(mo)數轉換(huan)邏輯(ji)，當(dang)感(gan)(gan)光(guang)二極管接(jie)(jie)受(shou)光(guang)照、產(chan)生(sheng)(sheng)模(mo)擬的(de)電(dian)信號之(zhi)后，電(dian)信號首先被(bei)該感(gan)(gan)光(guang)元件(jian)(jian)中的(de)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)放(fang)(fang)大(da)(da)，然后直接(jie)(jie)轉換(huan)成(cheng)對(dui)應的(de)數字(zi)信號。換(huan)句話說，在CMOS傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)中，每(mei)一個感(gan)(gan)光(guang)元件(jian)(jian)都(dou)(dou)可產(chan)生(sheng)(sheng)最終的(de)數字(zi)輸出，所得(de)數字(zi)信號合并(bing)之(zhi)后被(bei)直接(jie)(jie)送交DSP芯片處理，問(wen)題恰恰是發生(sheng)(sheng)在這(zhe)里(li)，CMOS感(gan)(gan)光(guang)元件(jian)(jian)中的(de)放(fang)(fang)大(da)(da)器(qi)(qi)屬于(yu)模(mo)擬器(qi)(qi)件(jian)(jian)，無法保證每(mei)個像點的(de)放(fang)(fang)大(da)(da)率(lv)都(dou)(dou)保持嚴格一致(zhi)，致(zhi)使放(fang)(fang)大(da)(da)后的(de)圖(tu)像數據無法代表拍攝(she)物(wu)體(ti)的(de)原(yuan)貌—體(ti)現(xian)在最終的(de)輸出結果(guo)上，就(jiu)是圖(tu)像中出現(xian)大(da)(da)量的(de)噪聲，品質明(ming)顯低于(yu)CCD傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)，不(bu)過目前這(zhe)方(fang)面的(de)技術(shu)已大(da)(da)幅改善(shan)。

二. 黑白相機成像原理：

以(yi)CCD原理為(wei)例，CCD原理并(bing)不復雜(za)。我(wo)們(men)可以(yi)把(ba)它想象成一個頂部被打開的記憶芯片。因此光束可以(yi)射到記憶單(dan)(dan)元(yuan)中(zhong)。根據"光電效應”，這些光束在記憶單(dan)(dan)元(yuan)中(zhong)產生負電荷(he)

三. 彩色彩色成像原理：

CCD芯片(pian)將(jiang)光(guang)子(zi)轉換(huan)為電(dian)(dian)子(zi)，在這(zhe)一過程當中，光(guang)子(zi)數目(mu)與電(dian)(dian)子(zi)數目(mu)互成比例。但光(guang)子(zi)還(huan)有另外一個(ge)特征(zheng)值——波長（波長決定顏色），而這(zhe)條(tiao)信(xin)息卻沒(mei)有在這(zhe)個(ge)過程中被轉換(huan)為電(dian)(dian)子(zi)。因(yin)此(ci)，從這(zhe)個(ge)意義上(shang)說，CCD芯片(pian)都(dou)可(ke)以(yi)被稱為色盲。所以(yi)彩色相機的(de)成像(xiang)稍微復雜些，目(mu)前主要(yao)有兩(liang)種方(fang)(fang)式：三(san)棱鏡方(fang)(fang)式和濾光(guang)片(pian)方(fang)(fang)式，下(xia)面分(fen)別介紹：

三棱鏡方式：

為了獲取(qu)光線的顏(yan)色信(xin)息，我(wo)們很容(rong)易想到用三(san)棱(leng)鏡將光束分成(cheng)單色光，然后分別(bie)成(cheng)像(xiang)，對，三(san)棱(leng)鏡方式就(jiu)是這個(ge)原(yuan)理。

它將從(cong)鏡頭射(she)入的光(guang)分成三(san)束，每束光(guang)都由(you)不同(tong)的內(nei)置(zhi)光(guang)柵來(lai)過濾(lv)出(chu)某一種三(san)原色，然后使用(yong)三(san)塊(kuai)(kuai)CCD分別感(gan)光(guang)。這些(xie)圖象再合成出(chu)一個高(gao)分辨(bian)率(lv)、色彩精確的圖象。如300萬像素的相(xiang)機就是(shi)由(you)三(san)塊(kuai)(kuai)300萬像素的CCD來(lai)感(gan)光(guang)。也就是(shi)可以做(zuo)到同(tong)點合成，因此拍攝的照(zhao)片(pian)清晰度(du)相(xiang)當高(gao)。該方法(fa)的主要(yao)困難在(zai)(zai)于其中包含的數據太多。在(zai)(zai)你照(zhao)下一張(zhang)照(zhao)片(pian)前，必須(xu)將存儲在(zai)(zai)相(xiang)機的緩沖(chong)區(qu)內(nei)的數據清除并存盤(pan)。因此這類相(xiang)機對(dui)其他部件(jian)的要(yao)求非常高(gao)，其價格自然也非常昂貴。

其他彩色原理省略。

相機常見參數介紹：

1. 分辨率（Resolution）：相機(ji)(ji)每次采集圖像的(de)像素點數（Pixels），對(dui)(dui)于(yu)工業(ye)數字相機(ji)(ji)一般是直接與(yu)光電傳感器的(de)像元數對(dui)(dui)應的(de)，對(dui)(dui)于(yu)工業(ye)數字模擬(ni)相機(ji)(ji)則是取決(jue)于(yu)視頻制式，PAL制為(wei)768*576，NTSC制為(wei)640*480。

2. 像(xiang)素(su)(su)深度（Pixel Depth）：即(ji)每像(xiang)素(su)(su)數據的(de)位數，一(yi)般常用(yong)的(de)是8Bit（2^8），對于(yu)工業數字(zi)(zi)數字(zi)(zi)相機一(yi)般還會(hui)有10Bit、12Bit等。

3. 最大幀(zhen)率(lv)（Frame Rate）/行頻(pin)（Line Rate）：相機(ji)(ji)采集傳(chuan)輸圖像的速(su)率(lv)，對(dui)于面陣相機(ji)(ji)一(yi)般為(wei)每(mei)秒(miao)采集的幀(zhen)數（Frames/Sec.），對(dui)于線陣相機(ji)(ji)機(ji)(ji)為(wei)每(mei)秒(miao)采集的行數（Hz）。

4. 曝(pu)光(guang)(guang)(guang)方式(shi)（Exposure）和快(kuai)門(men)速(su)度(du)（Shutter）：對于工(gong)(gong)業(ye)線(xian)陣(zhen)相(xiang)機(ji)(ji)都是逐(zhu)行曝(pu)光(guang)(guang)(guang)的方式(shi)，可(ke)以(yi)(yi)(yi)選(xuan)擇(ze)固定行頻和外觸(chu)發(fa)同步的采集方式(shi)，曝(pu)光(guang)(guang)(guang)時間(jian)可(ke)以(yi)(yi)(yi)與行周期一(yi)(yi)(yi)致，也可(ke)以(yi)(yi)(yi)設定一(yi)(yi)(yi)個固定的時間(jian)；面陣(zhen)相(xiang)機(ji)(ji)有(you)幀曝(pu)光(guang)(guang)(guang)、場曝(pu)光(guang)(guang)(guang)和滾動行曝(pu)光(guang)(guang)(guang)等幾(ji)種(zhong)常見方式(shi)，工(gong)(gong)業(ye)數字相(xiang)機(ji)(ji)一(yi)(yi)(yi)般都提供外觸(chu)發(fa)采圖(tu)的功能。快(kuai)門(men)速(su)度(du)一(yi)(yi)(yi)般可(ke)到10微秒，高速(su)相(xiang)機(ji)(ji)還可(ke)以(yi)(yi)(yi)更(geng)快(kuai)。

5. 像(xiang)元(yuan)尺寸(cun)（Pixel Size）：像(xiang)元(yuan)大小和像(xiang)元(yuan)數(shu)(shu)（分辨(bian)率）共同決定了相(xiang)機(ji)靶面的大小。目前工業數(shu)(shu)字相(xiang)機(ji)像(xiang)元(yuan)尺寸(cun)一般為3μm-10μm，一般像(xiang)元(yuan)尺寸(cun)越小，制造難(nan)度越大，圖像(xiang)質量也越不容易提高。

6. 光譜響應(ying)特(te)(te)性（Spectral Range）：是(shi)指(zhi)該(gai)像元(yuan)傳感(gan)器對不同光波的敏感(gan)特(te)(te)性，一般響應(ying)范(fan)圍(wei)是(shi)350nm－1000nm，一些(xie)相機在(zai)靶(ba)面前加了一個濾(lv)鏡，濾(lv)除紅外光線，如果系統需要對紅外感(gan)光時可去掉(diao)該(gai)濾(lv)鏡。

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