工業相機的原理與選型

很(hen)多(duo)數字(zi)相機采用電(dian)(dian)荷耦合(he)器件(jian)（CCD）作為其(qi)感光元(yuan)器件(jian)。CCD 的(de)(de)(de)原(yuan)理(li)很(hen)簡單(dan)(dan)：我們可以把它想象成一個(ge)沒(mei)有蓋(gai)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)芯片(pian)，上面整齊地排(pai)列(lie)著很(hen)多(duo)小的(de)(de)(de)感光單(dan)(dan)元(yuan)，光線中(zhong)的(de)(de)(de)光子(zi)(zi)撞擊每個(ge)單(dan)(dan)元(yuan)后，在(zai)這(zhe)些單(dan)(dan)元(yuan)中(zhong)會產(chan)生電(dian)(dian)子(zi)(zi)（光電(dian)(dian)效應），而且(qie)光子(zi)(zi)的(de)(de)(de)數目與電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)數目互成比(bi)例(li)。但在(zai)這(zhe)一過(guo)程(cheng)中(zhong)，光子(zi)(zi)的(de)(de)(de)波長并沒(mei)有被轉換(huan)為任何(he)形式的(de)(de)(de)電(dian)(dian)信號，換(huan)言之，CCD 裸芯片(pian)實際(ji)上都沒(mei)有把色彩信息轉換(huan)為任何(he)形式的(de)(de)(de)電(dian)(dian)信號。那么采用 CCD 作為感光元(yuan)件(jian)的(de)(de)(de)彩色數字(zi)相機是如何(he)生產(chan)彩色圖(tu)像的(de)(de)(de)？其(qi)圖(tu)像存在(zai)哪些優缺點？本文將回答這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。

1. 相機的芯(xin)片(pian)類型

一般情況下，工業相機按照芯(xin)(xin)片類型可(ke)以分為CCD相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)和(he)CMOS相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)，當(dang)然也(ye)有一些其他(ta)的芯(xin)(xin)片，比如富士公司生產的Super CCD芯(xin)(xin)片。這里我們(men)只討論市場(chang)主流(liu)的CCD相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)和(he)CMOS相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)的工作原理。數碼相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)的CCD和(he)CMOS都深藏于相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)(ji)內部，就算(suan)您有機(ji)(ji)會看到(dao)它們(men)的樣子，也(ye)很難(nan)進行區分。

CCD芯片工(gong)作原理，如圖(tu)所示：

在感光像點接受光照之后，感光元件產生對應的電流，電流大小與光強對應，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進一步的處理，而是將它直接輸出到垂直寄存器，傳到水平寄存器中，最后才能形成統一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了加上在此過程中會產生大量電壓損耗，無法直接進行模數轉換工作，因此這些輸出數據必須做統一的放大處理—這項任務是由CCD傳感器中的放大器專門負責，經放大器處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；因信號只通過一個放大器進行放大，所以產生的噪點較少。但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉換為數字信號，因此還需要一個專門的模數轉換芯片進行處理，最終以二進制數字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。

而對于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯，當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉換成對應的數字信號。換句話說，在CMOS傳感器中，每一個感光元件都可產生最終的數字輸出，所得數字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理，問題恰恰是發生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致，致使放大后的圖像數據無法代表拍攝物體的原貌—體現在最終的輸出結果上，就是圖像中出現大量的噪聲，品質明顯低于CCD傳感器，不過目前這方面的技術已大幅改善。

2. 單(dan)色相機成像(xiang)原(yuan)理

我們首(shou)先從相對簡單的黑白數(shu)字相機入(ru)手。

如圖所示，物體在有光線照射到它時將會產生反射，這些反射光線進入鏡頭光圈照射在 CCD 芯片上，在各個單元中生成電子。

曝光結束后，這些電子被從 CCD 芯片中讀出，并由相機內部的微處理器進行初步處理。此時由該微處理器輸出的就是一幅數字圖像了。

3. 彩色相(xiang)機的成像方(fang)案(an)

3.1. 三棱鏡(jing)

CCD 芯片按比例將一定數量的光子轉換為一定數量的電子，但光子的波長，也就是光線的顏色，卻沒有在這一過程中被轉換為任何形式的電信號，因此 CCD 實際上是無法區分顏色的。

在這種情況(kuang)下，如果我們(men)希(xi)望使用 CCD 作為相機(ji)感光芯片(pian)，并輸出紅、綠(lv)、藍三色分量，就(jiu)可以采用一個分光棱(leng)鏡和三個 CCD，如圖(tu)所示。棱(leng)鏡將光線中的(de)紅、綠(lv)、藍三個基(ji)本色分開(kai)，使其分別投射在一個 CCD 上。這樣以來，每個 CCD 就(jiu)只對(dui)一種基(ji)本色分量感光。

這(zhe)種解決方案(an)在實(shi)際應用(yong)中(zhong)的效果非(fei)常好，但(dan)它的最(zui)大(da)缺點就(jiu)(jiu)在于，采用(yong) 3 個(ge) CCD + 棱鏡(jing)的搭配必然導致價格昂貴。因此科研(yan)人(ren)員在很多年前就(jiu)(jiu)開(kai)始研(yan)發只使用(yong)一個(ge) CCD 芯(xin)片也能(neng)輸出(chu)各(ge)種彩(cai)色分量的相機。

3.2. 濾光(guang)片

如(ru)果在 CCD 表面覆蓋一個(ge)只含紅綠藍三色(se)的馬賽克(ke)濾鏡，再加上對其輸出信號的處(chu)理(li)算法，就(jiu)可以(yi)實現一個(ge) CCD 輸出彩色(se)圖像(xiang)數字信號。由(you)于這個(ge)設計(ji)理(li)念(nian)最初由(you)拜爾(er)（Bayer）先生提出，所以(yi)這種(zhong)濾鏡也被(bei)稱(cheng)作(zuo)拜爾(er)濾鏡。

如圖所(suo)示，該濾鏡的(de)(de)色(se)(se)彩搭配形式(shi)為(wei)：一(yi)行使(shi)用藍綠(lv)(lv)元素(su)，下一(yi)行使(shi)用紅綠(lv)(lv)元素(su)，如此交替；換言之，CCD 中(zhong)每 4 個像素(su)中(zhong)有 2 個對綠(lv)(lv)色(se)(se)分量感(gan)光(guang)，另外(wai)兩個像素(su)中(zhong)，一(yi)個對藍色(se)(se)感(gan)光(guang)、一(yi)個對綠(lv)(lv)色(se)(se)感(gan)光(guang)。從而使(shi)得每個像素(su)只含有紅、綠(lv)(lv)、藍三色(se)(se)中(zhong)一(yi)種(zhong)的(de)(de)信息(xi)(xi)，但我們希(xi)望的(de)(de)是每個像素(su)都(dou)含有這三種(zhong)顏色(se)(se)的(de)(de)信息(xi)(xi)。

拜耳濾(lv)(lv)(lv)(lv)鏡的(de)(de)(de)實現方(fang)(fang)式，不同的(de)(de)(de)傳感器廠商有不同的(de)(de)(de)解(jie)決(jue)方(fang)(fang)案，最常(chang)用的(de)(de)(de)做法是覆蓋(gai)(gai)RGB紅(hong)(hong)綠藍三色(se)(se)(se)濾(lv)(lv)(lv)(lv)光片，以1：2：1的(de)(de)(de)構(gou)成(cheng)由四個像(xiang)點構(gou)成(cheng)一個彩(cai)色(se)(se)(se)像(xiang)素（即紅(hong)(hong)藍濾(lv)(lv)(lv)(lv)光片分別(bie)覆蓋(gai)(gai)一個像(xiang)點，剩(sheng)下的(de)(de)(de)兩(liang)個像(xiang)點都(dou)(dou)覆蓋(gai)(gai)綠色(se)(se)(se)濾(lv)(lv)(lv)(lv)光片），采取這種比例(li)的(de)(de)(de)原因是人眼對綠色(se)(se)(se)較(jiao)為敏感。而索尼的(de)(de)(de)四色(se)(se)(se)CCD技術則將其中的(de)(de)(de)一個綠色(se)(se)(se)濾(lv)(lv)(lv)(lv)光片換(huan)為翡(fei)翠綠色(se)(se)(se)（英文Emerald，有些媒(mei)體稱為E通道(dao)），由此組(zu)成(cheng)新的(de)(de)(de)R、G、B、E四色(se)(se)(se)方(fang)(fang)案。不管(guan)是哪一種技術方(fang)(fang)案，都(dou)(dou)要四個像(xiang)點才能夠構(gou)成(cheng)一個彩(cai)色(se)(se)(se)像(xiang)素。

所(suo)以(yi)接下來要(yao)對這(zhe)些(xie)像素的值(zhi)使用 “色(se)彩空間插值(zhi)法” 進行處理。

以上圖中左下角的紅色區域為例，我們需要的是丟失了的綠色與藍色的值。而插值法可以通過分析與這個紅色像素相鄰的像素計算出這兩個值。在這個例子中，算法發現該區域像素綠色像素均含有大量電荷，但藍色像素電荷數為零，所以可以計算出，這個紅色像素實際上是黃色的。

如果以上圖為例對 3 CCD 的成像結果與單 CCD + 色彩插值處理后的結果進行比較，我們將發現所得圖片完全一致。但該結論僅對這幅圖像成立！因為這副圖片色彩對比簡單、邊界規則。而在實際應用中，即使最成熟的色彩插值算法也會在圖片中產生低通效應。所以，單 CCD 彩色相機生成的圖片比 3 CCD 彩色相機生成的圖片更加模糊，這點在圖像中有超薄或纖維形物體的情況下尤為明顯。但是，單 CCD 彩色相機使得 CCD 數字相機的價格大大降低，而且隨著電子技術的發展，今天 CCD 的質量都有了驚人的進步，因此大部分彩色數碼相機都采用了這種技術。

這里介紹兩(liang)種簡單的插值方式(shi)：

3.2.1. 臨(lin)近像素(su)復(fu)制法(fa)

填補缺失的色彩值的最簡單方法就是從臨近像素中獲取色彩值。以拜爾濾鏡中第二行第一個綠色像素為例，在源圖像中該點實際是紅色的，但經拜爾濾鏡中綠色鏡片過濾后，該點色值為零。我們只需要把臨近紅藍像素中的紅色與藍色值復制到該像素中，就能獲得其 RGB 值（255，0，0）。

就此例而言，這種插值法計算出了正確的 RGB 值。但在實際應用當中，對于靜止圖像，這種簡單的插值法所生成的結果是不可接受的。但由于它算法簡單且不耗費多少時間，我們可以將其用于對圖像質量要求不高的視頻數據流中（例如視頻預覽）。

3.2.2. 臨近(jin)像素均值法（雙(shuang)線性插值）

我們可以對 “復制插值法” 作出的最直接改進就是使用若干臨近像素的均值。如下圖所示，這種方法對于上例中的象素點，同樣可以計算出正確的 RGB 值（255，0，0）。

但針對圖中第二個示例像素點的計算指出了均值法的一個重大缺陷：均值法有低通特性，并由此將清晰的邊界鈍化。如該點 RGB 值本應是（255，0，0），但計算后變成了（255，128，64），即由紅色變成了棕橙色。

今天相機中所使用的插值法的性能要大大高于前面介紹的這兩種基本方法。A Study of Spatial Color Interpolation Algorithms for Single-Detector Digital Cameras一文 對這些算法做了很好的介紹和比較。

4. 相機接(jie)口(kou)類型

4.1. GIGE千(qian)兆(zhao)網接(jie)口

千兆網協議穩定，該接口的工業相機是近幾年市場應用(yong)的重點。使(shi)用(yong)方便，連接(jie)到千兆(zhao)網(wang)卡上，即能(neng)正常(chang)工(gong)作。

在千兆(zhao)網卡的屬性中，也(ye)有(you)與1394中的Packet Size類似的巨幀。設(she)置好此參數，可以達到(dao)更理(li)想的效果。

傳輸(shu)距離遠(yuan)，可傳輸(shu)100米。可多臺同時使用，CPU占用率小。

4.2. USB2.0接口

所有電腦都配置有USB2.0接(jie)口，方便連接(jie)，不需(xu)要采(cai)集卡。

USB2.0接口的相機，是(shi)最早應用的數字接口之(zhi)一，開發周(zhou)期(qi)短，成本低廉，是(shi)目(mu)前最為普通的類型(xing)，缺(que)點是(shi)其傳輸速率較慢，理論速度只有(you)480Mb（60MB）。

在傳輸過(guo)程(cheng)中CPU參(can)與(yu)管理，占用及(ji)消耗資源較大。USB2.0接口不穩定，相機通常(chang)沒(mei)有(you)堅固(gu)螺(luo)絲，因此在經常(chang)運動的(de)設備上，可能(neng)會有(you)松動的(de)危(wei)險。傳輸距離近，信號(hao)容(rong)易衰減。

4.3. USB3.0接口

USB 3.0的設計在USB 2.0的基礎上新增了兩組數據總線，為了保證向下兼容，USB 3.0保留了USB 2.0的一組傳輸總線。

在傳輸協議方面，USB 3.0除了支持傳統的BOT協議，新增了USB Attached SCSI Protocol (USAP)，可以完全發揮出5Gbps的高速帶寬優勢。

由于總線標準是近幾年才發布，所以協議的穩定性同樣讓人擔心。傳輸距離問題，依然沒有得到解決。

4.4. Camera Link接口

需要單獨的Camera Link接口，不便攜，導致成本過高。傳輸速度是目前的工業相機中最快的一種總線類型。

一般用于高分辨率高速面陣相機，或者是線陣相機上。

傳輸距離近，可傳輸距離為10米。

4.5. 1394（火線）

1394接(jie)口，在工業領域中，應(ying)用還是非常(chang)廣泛的。協議、編(bian)碼方式(shi)都非常(chang)不錯，傳輸速度(du)也比較穩定，只不過由于早期蘋(pin)果的壟斷，造成其沒(mei)有被廣泛應(ying)用。

1394接口(kou)，特別(bie)是1394B口(kou)，都(dou)有堅(jian)固(gu)的螺絲(si)。1394接口(kou)不(bu)太方(fang)便的地方(fang)是其未能普及(ji)，因此電腦上通常不(bu)包含其接口(kou)，因此需(xu)要額外(wai)的采集卡(ka)，傳輸距離(li)僅為4.5米。

占用CPU資源少，可多臺同(tong)時使用，但(dan)由于接(jie)口的普及率不(bu)高，已慢(man)慢(man)被市(shi)場淘汰(tai)。

5. 線(xian)陣和面陣相機

5.1. 面(mian)陣

上面我們所說的相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)均屬(shu)于面陣相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)，相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)像素(su)(su)(su)是指這個(ge)(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)總共有多少個(ge)(ge)感光晶(jing)片，通常(chang)用萬(wan)(wan)(wan)個(ge)(ge)為單位表示(shi)，以矩(ju)陣排列，例如(ru)3百(bai)(bai)(bai)萬(wan)(wan)(wan)像素(su)(su)(su)、2百(bai)(bai)(bai)萬(wan)(wan)(wan)像素(su)(su)(su)、百(bai)(bai)(bai)萬(wan)(wan)(wan)像素(su)(su)(su)、40萬(wan)(wan)(wan)像素(su)(su)(su)。百(bai)(bai)(bai)萬(wan)(wan)(wan)像素(su)(su)(su)相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)的像素(su)(su)(su)矩(ju)陣為 W*H=1000*1000 。相(xiang)(xiang)(xiang)機(ji)分辨(bian)率(lv)，指一個(ge)(ge)像素(su)(su)(su)表示(shi)實際物體的大小，用 um*um 表示(shi)。數值越(yue)小，分辨(bian)率(lv)越(yue)高。

5.2. 線陣

線陣(zhen)相(xiang)機(ji)是一類特(te)殊的(de)視覺機(ji)器。與(yu)面陣(zhen)相(xiang)機(ji)相(xiang)比，它的(de)傳感(gan)器只有一行(xing)(xing)感(gan)光元素，因(yin)此(ci)使高掃(sao)(sao)描頻率和(he)高分(fen)辨率成為(wei)可(ke)能。線陣(zhen)相(xiang)機(ji)的(de)典型應用領域是檢測(ce)連(lian)續的(de)材料(liao)，例如金屬、塑料(liao)、紙和(he)纖維等。被檢測(ce)的(de)物體通常(chang)勻(yun)速運(yun)動(dong) , 利用一臺或多(duo)臺相(xiang)機(ji)對(dui)其逐行(xing)(xing)連(lian)續掃(sao)(sao)描 , 以達到(dao)對(dui)其整個表面均勻(yun)檢測(ce)。可(ke)以對(dui)其圖象(xiang)(xiang)一行(xing)(xing)一行(xing)(xing)進行(xing)(xing)處理 , 或者對(dui)由多(duo)行(xing)(xing)組成的(de)面陣(zhen)圖象(xiang)(xiang)進行(xing)(xing)處理。另(ling)外線陣(zhen)相(xiang)機(ji)非常(chang)適合測(ce)量場合，這要歸功于傳感(gan)器的(de)高分(fen)辨率 。

6. 相機常見參(can)數(shu)介紹

1.分(fen)辨(bian)率（Resolution）

相(xiang)機(ji)(ji)每次采(cai)集圖像(xiang)的(de)像(xiang)素點數（Pixels），對(dui)于工業數字相(xiang)機(ji)(ji)一般是直(zhi)接與光電傳(chuan)感(gan)器的(de)像(xiang)元(yuan)數對(dui)應的(de)，對(dui)于工業數字模擬相(xiang)機(ji)(ji)則是取決于視頻制式，PAL制為(wei) 768*576 NTSC制為(wei) 640*480 。

2.像素深(shen)度（Pixel Depth）

即每像素數(shu)(shu)(shu)據的(de)位數(shu)(shu)(shu)，一(yi)(yi)般常(chang)用的(de)是8Bit，對于工業數(shu)(shu)(shu)字(zi)數(shu)(shu)(shu)字(zi)相機一(yi)(yi)般還會有10Bit、12Bit等。

3.最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）

相(xiang)機(ji)采集(ji)傳(chuan)輸圖像(xiang)的(de)(de)速率(lv)，對(dui)于面(mian)陣(zhen)相(xiang)機(ji)一般(ban)為每(mei)秒(miao)采集(ji)的(de)(de)幀數(shu)(shu)（Frames/Sec.），對(dui)于線陣(zhen)相(xiang)機(ji)機(ji)為每(mei)秒(miao)采集(ji)的(de)(de)行數(shu)(shu)（Hz）。

4.曝(pu)光方(fang)式（Exposure）和快門(men)速度（Shutter）

對于(yu)工業(ye)線陣相機都是逐行(xing)曝(pu)(pu)(pu)光的方(fang)式，可(ke)以(yi)選擇固定行(xing)頻和外(wai)觸發同步的采集(ji)方(fang)式，曝(pu)(pu)(pu)光時間可(ke)以(yi)與行(xing)周期(qi)一(yi)致，也可(ke)以(yi)設定一(yi)個(ge)固定的時間；面陣相機有幀曝(pu)(pu)(pu)光、場(chang)曝(pu)(pu)(pu)光和滾動行(xing)曝(pu)(pu)(pu)光等幾種常見方(fang)式，工業(ye)數(shu)字相機一(yi)般都提供外(wai)觸發采圖(tu)的功(gong)能。快(kuai)門速度一(yi)般可(ke)到10微秒，高速相機還(huan)可(ke)以(yi)更快(kuai)。

5.像元尺寸（Pixel Size）

像(xiang)(xiang)元(yuan)大小和(he)像(xiang)(xiang)元(yuan)數（分(fen)辨率）共同決定了相機(ji)靶面的大小。目前工業數字相機(ji)像(xiang)(xiang)元(yuan)尺寸(cun)一般(ban)為(wei)3μm-10μm，一般(ban)像(xiang)(xiang)元(yuan)尺寸(cun)越(yue)小，制造(zao)難(nan)度(du)越(yue)大，圖像(xiang)(xiang)質(zhi)量也越(yue)不容易提(ti)高(gao)。

6.光譜響應特性（Spectral Range）

是(shi)指該像(xiang)元傳感(gan)器對不同光波(bo)的(de)敏感(gan)特性，一(yi)般響應范圍是(shi)350nm－1000nm，一(yi)些相(xiang)機在靶面前加了一(yi)個濾(lv)鏡(jing)，濾(lv)除紅(hong)外光線(xian)，如果系統需要對紅(hong)外感(gan)光時可(ke)去掉該濾(lv)鏡(jing)。