機器視覺常見問題

答： 以上說的多是相機的原理和一些關鍵技術，對于接觸機器視覺技術者熟悉這些可能需要一個過程，但選擇相機卻往往刻不容緩的擺在面前。因此，選擇相機最簡單的方法是您將您檢測或測量的要求告知專業視覺系統集成商，他們應該能幫到您。通常您首先需要知道系統精度要求和相機分辨率，可以通過公式：X方向系統精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素數量( X方向); Y方向系統精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD 芯片像素數量( Y方向)來獲得。當然理論像素值的得出，要由系統精度及亞像素方法綜合考慮;接著您要知道系統速度要求與相機成像速度，系統單次運行速度=系統成像(包括傳輸)速度+系統檢測速度，雖然系統成像(包括傳輸)速度可以根據相機異步觸發功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是通過軟件進行實際測試;再接著您要將相機與圖像采集卡一并考慮，因為這涉及到兩者的匹配：

a，視頻信號的匹配。對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡都同時支持這兩種相機;

b， 分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范圍內的相機;

c，特殊功能的匹配。如要是用相機的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描;

d，接口的匹配。確定相機與板卡的接口是否相匹配。如Cameralink、Firewire1394等。最后才應該是價格的比較。

(2) 問：什么是亞像素?

答：一般用分辨率這個名詞來描述CCD芯片上的行列數。實際上，CCD芯片是一個抽樣器件，它的最大抽樣率由抽樣定律決定，即抽樣率必須高于奈奎斯特頻率的2倍。抽樣理論在一維時間信號中得到了廣泛的使用，但并沒有被完全的應用到CCD芯片的信號采樣中。能夠通過亞像素算術來提高CCD芯片的抽樣率，理論就是把一個像素看作是由亞像素組成的子圖像。通常，我們能夠處理亞分辨率為10×10亞像素的圖像。一個典型的例子就是決定一個斑點的重心(圖 1.2.13a)。由于積分特性，原始像素位置誤差與其本身輸出相同。假設一個灰度級的一維圖像如圖 1.2.13b所示,如果灰度值的轉折點剛好出現在像素的邊緣，那么容易確切得知道輪廓點的位置。但實際的轉折點可能不在一個理想的級別，我們不能夠準確得知道芯片上轉折點剪切像素的位置。另外更重要的，模糊的灰度級允許灰度級差值，因此我們就能夠決定亞像素的位置作為灰度級的功能。不管怎樣，只有將CCD芯片內的模擬圖像盡可能精確地描繪在圖像處理單元的內存中，亞像素算法才能是精確的。就像以前章節中討論的，這不是對標準視頻相機的情況。描述像素時鐘的章節顯示這個問題能夠解決。 圖 1.2.13 有關亞像素的解釋(左圖為a、右圖為b)

(3)問：什么是12位相機?我是否需要12位相機?

答：理論上12位相機的動態范圍是8位相機的動態范圍的16倍。一個8位的相機最高能夠檢測256個灰度級。一個12位相機有4096個灰度級。由于相機是數字的，您不必測量到213.5625，或者說213或214。如果您需要檢測213和214灰度級之間的灰度級，8位相機的效果就很差。這時您就要用12位相機，它能提供16倍的動態范圍，同時又能得到與8位相機相同的數據量。

(4)問：CMOS相機與CCD相機間的區別有哪些?

答： 它們是不同工藝和結構的兩種微電子器件，主要的區別如下：

ⅰ)CCD傳感器比CMOS傳感器對光更加敏感，這是因為CCD往往比CMOS相機有更大的填充因子。如今采用微透鏡技術的CCD可以達到100%的填充比，而CMOS由于周圍的電路元素影響，它的填充比一般在70%左右。

ⅱ)CCD傳感器更適應低對比度的場合，這是由于CCD傳感器可以獲得更高的信噪比。

ⅲ)CMOS傳感器可以獲得比CCD傳感器高很多的圖像傳輸速度，因而更適用于高速場合的需要。

ⅳ)CMOS傳感器由于其電路結構特性可以獲得比CCD傳感器更多的輸出柔性，您可以在任意選擇圖像輸出的子興趣區域來提高圖像傳輸速度，比如某傳感器有1280×1024的像素分辨能力和15幀/秒的圖像傳輸頻率，如果是CCD傳感器，由于其串行耦合輸出的電路特性使它在選擇子興趣區域時只能減少行分辨率，如640×1024(30幀/秒)、320×1024(60幀/秒);而如果是CMOS傳感器，則可以選擇低于1280×1024的任何分辨率，如640×480(約70幀/秒)。

ⅴ)CMOS傳感器擁有更低的電能消耗，因此更適應于便攜設備和空間應用。但有一點很明顯，隨著兩者技術的進步，在同檔次的相機上差別也越來越小，因而選擇何種創感器主要是遵守適用原則。

(5)問：CCD是數字器件?

答：雖然CCD與許多數字器件一樣用到時鐘，但是光的采集和輸出是以模擬形式進行的。輸入CCD的時鐘用于從光敏器件轉移電荷到輸出放大器上。輸出信號是模擬的，必須被轉換成數字信號才能被計算機處理。

(6)問：模擬輸出相機與數字輸出相機之間的區別是什么?

答：模擬相機的視頻輸出是用模擬電信號傳輸視頻信號，這種相機通常用于閉路電視，或者與數字化視頻波形的采集卡相連。數字相機其內部有一個A/D轉換器，數據以數字形式傳輸，能夠直接顯示在電腦或電視屏幕上，因而數字輸出相機可以避免傳輸過程的圖像衰減或噪聲。

(7)問：我應該選擇何種輸出接口的相機?

答：輸出接口類型的選擇主要由您需要獲得數據類型決定。如果您的圖像輸出直接給視頻監視器，那么您只需要模擬輸出的相機(對單色圖像需求就是CCIR或RS-170制式輸出，對彩色圖像需求就是PAL或NTSC制式輸出)。如果您需要將相機獲取的圖像傳輸給電腦，則可以用多種輸出接口選擇，但必須和采集卡的接口一致，通常有如下的選擇(在圖像采集卡一節將進一步介紹)：

ⅰ)模擬接口仍然可以適用，圖像信號需要一張圖像采集卡完成A/D轉換，這樣的搭配價格最低因而是最常見的。

ⅱ)對一些沒有其它采集卡控制需求和圖像傳輸可靠性需求的應用，采用直聯的USB2.0接口和IEEE1394 (Fire Wire)最為方便。

ⅲ) Camera link接口是一種數字輸出標準，它需要一張采集卡來承載，并用以配合高性能的面掃描相機或線掃描相機，隨著該數字接口的推廣和完善，價格也不如預期的那樣昂貴。ⅳ)此外，也有一些老一點的數字接口仍然再被使用，比如 LVDS RS644。

(8)問：什么是垂直同步、彩色視頻復合信號同步、外同步、直流線鎖定和完全同步?

答：這是攝像機之間不同的同步方法。全體鎖定是兩部用于精密的應用如廣播攝影棚攝像機之間完全同步最好的方法。它將同步：水平，垂直，偶數/奇數區域，色彩觸發頻率和階段。垂直同步是最簡單的方法來同步兩部攝像機，通過垂直驅動頻率來保證視頻能夠采用老式的切換期或者四分割機器，在同一個監視器上顯示幾個影像源。垂直驅動信號通常由重復頻率20/16.7毫秒(50/60赫茲)和脈沖1~3毫秒寬度的脈沖組成。彩色視頻復合信號代表視頻和彩色觸發信號，意味著攝像機能和外部的復合彩色視頻信號同步。

然而盡管稱作彩色視頻復合信號同步，實際上只進行水平同步和垂直同步，而沒有色彩觸發同步。外同步非常類似于彩色視頻復合信號同步。一個攝像機能夠同步于另一個攝像機的視頻信號，一個外同步攝像機能使用輸入的彩色視頻復合信號，提取水平和垂直同步信號來做同步。

多數相機具有垂直驅動同步或者彩色視頻復合信號/外同步性能，但是由于監控攝像機永遠不需要線鎖定，因此閉路監控攝像機幾乎沒有完全鎖定性能。直流線鎖定是一種古老的技術，利用直流50/60赫茲電源線電流來同步攝像機。因為直流24伏電源廣泛使用于多數建筑物防火警報系統，由于非常容易獲得，因此廣泛應用于北美洲。由于老型號的切換器和分割系統沒有數字記憶功能，要保持穩定的影像，攝像機之間的同步非常必要，直流線鎖定就是攝像機同步于交流50/60赫茲，彩色信道之間時間的關聯和水平/垂直信號沒有約束會導致糟糕的色彩轉換(色彩階段設計)，因此所有使用交流線鎖定的用戶不可避免地失去很好的色彩轉換。

幸運的是，現在的分割器和16通道復合處理器以及硬盤錄像機都有內部記憶體來克服這個問題，不再需要同步信號，因此交流線鎖定可能若干年后會被淘汰掉。

(9)問：什么是電子快門?為什么有些CCD沒有電子快門功能?

答：只要有光照，CCD光敏部分就會產生電子。由于像素必須被讀出，如果讀出需要很長時間，圖像就會變差。這與使用慢速快門拍攝運動物體的原理一樣。通常在讀出時間內中止信號產生。然而，關掉光照就需要某種形式的機械快門或者電子快門。有些CCD設計為只要信號產生就迅速傳送到CCD的某一金屬區域，由于光照不能夠穿透金屬，信號產生就會中止，CCD就能夠沒有干擾的讀出。這種快速傳送到保護區域就稱作電子快門，因為利用電子控制信號產生時間。

(10)問：硅對光的敏感度超過1100nm，但為什么沒有能夠檢測到這些波長的CCD?

答：硅對光的敏感度的確超過1100nm，然而，為什么CCD不能夠檢測到這些波長的原因是有些復雜的: CCD通過吸收光，將光能量轉換成電能量來工作。這些電子在CCD中傳送到輸出放大器中，這里，產生了與像素吸收的光能量成比例的一部分電信號。被硅吸收的光能量取決于波長。藍光能夠被硅高度吸收，而大多數的光實際上是被CCD上的多個硅溝吸收。結果，只有一小部分的藍光被CCD損耗區域吸收，這里像素聚集電子。在可見光譜的另一端，紅光和近紅外光也只有少部分被吸收。因此，只有穿過了大量硅的光才能被吸收而產生電子。這些電子漂移到CCD損耗區域被像素吸收，或者在別處漂移直到它們的能量耗盡。