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机器视觉十大常见问题

日期: 2020-10-24
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机器视觉十大常见问题


  如何选择相机?


  对于机器视觉工程师来说,选择相机往往是一个迫切的问题。因此,选择相机要了解以下几个方面:


  一般需要先了解系统精度要求和相机分辨率,可以用公式:X方向系统精度(X方向像素值)=视场范围(X方向)/CCD芯片像素数(X方向);y方向系统精度(y方向像素值)=视野范围(y方向)/CCD芯片像素数(y方向)。


  当然,理论像素值要综合考虑系统精度和亚像素法;然后你需要知道系统速度要求和相机成像速度。系统单次运行速度=系统成像(包括传输)速度。虽然理论上可以根据相机的异步触发函数和快门速度计算出系统成像(包括传输)速度,但最好的方法是用软件实际测试。那么你就要把摄像头和图像采集卡一起考虑,因为这涉及到两者的匹配:


  视频信号匹配。黑白模拟信号摄像机有两种格式,CCIR和RS170(EIA)。通常采集卡支持两个摄像头。


  分辨率匹配。每个板卡只支持一定分辨率范围内的摄像头;


  特殊功能的匹配。如果使用摄像头的特殊功能,首先要确定使用的卡是否支持该功能。比如你想让多个摄像头同时拍照,这个采集卡必须支持多通道。如果相机是逐行扫描,那么采集卡必须支持逐行扫描。


  接口匹配。确定摄像头和主板之间的接口是否匹配。例如CameraLink、Firewire1394等。最后是价格比较。


  什么是亚像素?


  一般用分辨率这个术语来描述CCD芯片上的行数和列数。其实,CCD芯片是一个采样器件,它的最大采样率是由采样规律决定的,即采样率必须高于奈奎斯特频率的两倍。


  采样理论已广泛应用于一维时间信号,但尚未完全应用于CCD芯片的信号采样。亚像素算法可以提高CCD芯片的采样率。理论是把一个像素看成是由子像素组成的子图像。一般我们可以处理1010子像素的亚分辨率图像。一个典型的例子是确定一个点的重心。由于积分特性,原始像素位置误差与其自身输出相同。


  假设一幅灰度一维图像,如果灰度值的转折点正好出现在像素的边缘,那么很容易准确知道轮廓点的位置。但是实际的转折可能并不在理想的水平,所以我们无法准确的知道芯片上转折处切割像素的位置。此外,更重要的是,模糊灰度允许灰度差,因此我们可以根据灰度来决定子像素的位置。在任何情况下,只有在图像处理单元的存储器中尽可能准确地描绘出CCD芯片中的模拟图像,亚像素算法才能准确。什么是12位相机?我需要12位相机吗?


  理论上,12位相机的动态范围是8位相机的16倍。一台8位相机可以检测多达256个灰度级。12位相机有4096个灰度级。


  既然相机是数码的,就不用测213.5625,或者213或者214。如果需要检测213到214灰度之间的灰度,8位相机很差。这时候你需要使用12位的摄像头,它可以提供16倍的动态范围,获得与8位摄像头相同的数据量。


  CMOS相机和CCD相机有什么区别?


  它们是两种工艺和结构不同的微电子器件,主要区别如下:


  I) CCD传感器比CMOS传感器对光更敏感,因为CCD往往比CMOS相机有更大的填充因子。现在采用微透镜技术的CCD可以达到100%的填充率,而CMOS由于受到周围电路元件的影响,填充率在70%左右。


  )CCD传感器更适合低对比度的情况,因为CCD传感器可以获得更高的信噪比。


  )CMOS传感器可以获得比CCD传感器高得多的图像传输速度,因此更适合高速场合。


  )CMOS传感器由于其电路结构特点,可以获得比CCD传感器更大的输出灵活性。可以随意选择图像输出的子兴趣区域,提高图像传输速度。例如,某传感器的分辨率为12801024像素,图像传输频率为15帧/秒。如果是CCD传感器,由于其串行耦合输出电路特性,在选择子感兴趣区域时只能降低行分辨率,如6401024(30帧/秒),如果是CMOS传感器,可以选择任何低于12801024的分辨率,如640480(约70帧/秒)。


  )CMOS传感器功耗较低,更适合便携式设备和空间应用。但是很明显,随着两个摄像头的技术进步,两个摄像头的差别越来越小。因此,传感器的选择主要是遵守适用的原则。


  CCD是数字设备吗?


  虽然CCD和很多数字设备一样使用时钟,但是光的采集和输出都是以模拟的形式进行的。电荷耦合器件的时钟输入用于将电荷从光敏器件传输到输出放大器。输出信号是模拟的,必须转换成数字信号才能被计算机处理。


  模拟输出相机和数字输出相机有什么区别?模拟摄像机的视频输出是通过模拟电信号传输视频信号。这种摄像机通常用于闭路电视或与数字化视频波形采集卡相连。数码相机内部有一个A/D转换器,数据以数字形式传输,可以直接显示在电脑或电视屏幕上,因此数字输出相机可以避免传输过程中的图像衰减或噪声。


  应该选择什么输出接口摄像头?


  输出接口类型的选择主要取决于你需要获取的数据类型。如果您的图像输出是直接到视频监视器,那么您只需要一个模拟输出的相机(单色图像需要CCIR或RS-170输出,彩色图像需要PAL或NTSC输出)。如果需要将摄像头获得的图像传输到计算机,可以使用多种输出接口,但必须与采集卡的接口一致:


  I)模拟接口仍然适用,图像信号需要图像采集卡完成A/D转换,由于价格最低,所以最常见。


  )对于一些没有其他采集卡控制要求和图像传输可靠性要求的应用,使用USB2.0接口和IEEE1394 (Fire Wire)最为方便。


  ) Camera Link接口是数字输出标准,需要采集卡携带,用于配合高性能的区域扫描相机或线扫描相机。随着这种数字接口的普及和完善,价格并没有想象中的那么贵。)此外,一些较旧的数字接口仍在重新使用,如LVDS RS644。


  什么是垂直同步,彩色视频复合信号同步,外部同步,DC锁线,完全同步?


  这是不同相机之间的同步方法。整体锁定是广播演播室等精密应用中使用的两台摄像机完全同步的最佳方法。它将同步:水平、垂直、偶数/奇数区域、颜色触发频率和相位。垂直同步是同步两台摄像机最简单的方法。通过垂直驱动频率,可以保证视频使用旧的切换周期或四分机在同一台显示器上显示多个图像源。垂直驱动信号通常由重复频率为20/16.7毫秒(50/60赫兹)和脉冲宽度为1-3毫秒的脉冲组成。彩色视频复合信号代表视频和彩色触发信号,这意味着摄像机可以与外部复合彩色视频信号同步。


  然而,虽然它被称为彩色视频复合信号同步,但实际上,只执行水平同步和垂直同步,而没有颜色触发同步。外部同步非常类似于彩色视频复合信号同步。一台摄像机可以与另一台摄像机的视频信号同步,外部同步摄像机可以使用输入的彩色视频复合信号提取水平和垂直同步信号进行同步。大多数摄像机具有垂直驱动同步或彩色视频复合信号/外部同步的性能,但闭路监控摄像机几乎没有完全的锁定性能,因为它们从来不需要线路锁定。DC锁线是一项古老的技术,它使用DC 50/60 Hz电力线电流来同步摄像机。由于DC 24V电源广泛应用于大多数建筑的火灾报警系统中,所以在北美得到广泛应用是因为它非常容易获得。因为旧的切换器和分割系统没有数字存储功能,所以需要同步相机以保持稳定的图像。DC线锁定意味着摄像机与交流50/60赫兹同步。色彩通道与不受约束的水平/垂直信号之间的时间相关性会导致色彩转换不佳(色彩舞台设计),所以所有使用交流锁线的用户必然会失去良好的色彩转换。


  幸运的是,现在的分路器、16通道复合处理器、硬盘录像机都有内部存储器来克服这个问题,不再需要同步信号,所以交流线路锁定可能在几年内被淘汰。


  什么是电子快门?为什么有的CCd没有电子快门功能?


  只要有光,CCD的光敏部分就会产生电子。由于像素必须读出,如果读出时间长,图像会变差。这和用慢速快门拍摄运动物体的原理是一样的。通常,信号产生在读出时间期间停止。然而,关闭照明需要某种形式的机械快门或电子快门。有些电荷耦合器件被设计成一产生信号就将信号传输到电荷耦合器件的某个金属区域。由于光线无法穿透金属,信号产生会停止,CCD可以无干扰读出。这种向保护区的快速传输被称为电子快门,因为时间是由电子控制信号产生的。


  硅对光的灵敏度超过1100nm,但是为什么没有CCD能够检测这些波长?


  硅对光的灵敏度确实超过1100纳米,然而,为什么电荷耦合器件不能检测这些波长是一些复杂的3360


  电荷耦合器件通过吸收光并将光能转化为电能来工作。这些电子在电荷耦合器件中传输到输出放大器,在那里产生一部分与像素吸收的光能成比例的电信号。硅吸收的光能取决于波长。


  蓝光可以被硅高度吸收,而大部分光实际上被CCD上的多个硅槽吸收。结果,只有一小部分蓝光被电荷耦合器件损失区域吸收,在该区域像素收集电子。在可见光谱的另一端,只有一小部分红光和近红外光被吸收。因此,只有穿过大量硅的光才能被吸收产生电子。这些电子漂移到电荷耦合器件损耗区被像素吸收,或者漂移到其他地方,直到它们的能量耗尽。


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