機(jī)器視覺(jué)常見(jiàn)問(wèn)題

答： 以上說(shuō)的多是相機(jī)的原理和一些關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于接觸機(jī)器視覺(jué)技術(shù)者熟悉這些可能需要一個(gè)過(guò)程，但選擇相機(jī)卻往往刻不容緩的擺在面前。因此，選擇相機(jī)最簡(jiǎn)單的方法是您將您檢測(cè)或測(cè)量的要求告知專(zhuān)業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)集成商，他們應(yīng)該能幫到您。通常您首先需要知道系統(tǒng)精度要求和相機(jī)分辨率，可以通過(guò)公式：X方向系統(tǒng)精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素?cái)?shù)量( X方向); Y方向系統(tǒng)精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD 芯片像素?cái)?shù)量( Y方向)來(lái)獲得。當(dāng)然理論像素值的得出，要由系統(tǒng)精度及亞像素方法綜合考慮;接著您要知道系統(tǒng)速度要求與相機(jī)成像速度，系統(tǒng)單次運(yùn)行速度=系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度+系統(tǒng)檢測(cè)速度，雖然系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度可以根據(jù)相機(jī)異步觸發(fā)功能、快門(mén)速度等進(jìn)行理論計(jì)算，最好的方法還是通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)際測(cè)試;再接著您要將相機(jī)與圖像采集卡一并考慮，因?yàn)檫@涉及到兩者的匹配：

a，視頻信號(hào)的匹配。對(duì)于黑白模擬信號(hào)相機(jī)來(lái)說(shuō)有兩種格式，CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡都同時(shí)支持這兩種相機(jī);

b， 分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范圍內(nèi)的相機(jī);

c，特殊功能的匹配。如要是用相機(jī)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(jī)同時(shí)拍照，這個(gè)采集卡就必須支持多通道，如果相機(jī)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(jī)與板卡的接口是否相匹配。如Cameralink、Firewire1394等。最后才應(yīng)該是價(jià)格的比較。

(2) 問(wèn)：什么是亞像素?

答：一般用分辨率這個(gè)名詞來(lái)描述CCD芯片上的行列數(shù)。實(shí)際上，CCD芯片是一個(gè)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(shí)間信號(hào)中得到了廣泛的使用，但并沒(méi)有被完全的應(yīng)用到CCD芯片的信號(hào)采樣中。能夠通過(guò)亞像素算術(shù)來(lái)提高CCD芯片的抽樣率，理論就是把一個(gè)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(gè)典型的例子就是決定一個(gè)斑點(diǎn)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(shè)一個(gè)灰度級(jí)的一維圖像如圖 1.2.13b所示,如果灰度值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)剛好出現(xiàn)在像素的邊緣，那么容易確切得知道輪廓點(diǎn)的位置。但實(shí)際的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可能不在一個(gè)理想的級(jí)別，我們不能夠準(zhǔn)確得知道芯片上轉(zhuǎn)折點(diǎn)剪切像素的位置。另外更重要的，模糊的灰度級(jí)允許灰度級(jí)差值，因此我們就能夠決定亞像素的位置作為灰度級(jí)的功能。不管怎樣，只有將CCD芯片內(nèi)的模擬圖像盡可能精確地描繪在圖像處理單元的內(nèi)存中，亞像素算法才能是精確的。就像以前章節(jié)中討論的，這不是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻相機(jī)的情況。描述像素時(shí)鐘的章節(jié)顯示這個(gè)問(wèn)題能夠解決。 圖 1.2.13 有關(guān)亞像素的解釋(左圖為a、右圖為b)

(3)問(wèn)：什么是12位相機(jī)?我是否需要12位相機(jī)?

答：理論上12位相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是8位相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的16倍。一個(gè)8位的相機(jī)最高能夠檢測(cè)256個(gè)灰度級(jí)。一個(gè)12位相機(jī)有4096個(gè)灰度級(jí)。由于相機(jī)是數(shù)字的，您不必測(cè)量到213.5625，或者說(shuō)213或214。如果您需要檢測(cè)213和214灰度級(jí)之間的灰度級(jí)，8位相機(jī)的效果就很差。這時(shí)您就要用12位相機(jī)，它能提供16倍的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又能得到與8位相機(jī)相同的數(shù)據(jù)量。

(4)問(wèn)：CMOS相機(jī)與CCD相機(jī)間的區(qū)別有哪些?

答： 它們是不同工藝和結(jié)構(gòu)的兩種微電子器件，主要的區(qū)別如下：

ⅰ)CCD傳感器比CMOS傳感器對(duì)光更加敏感，這是因?yàn)镃CD往往比CMOS相機(jī)有更大的填充因子。如今采用微透鏡技術(shù)的CCD可以達(dá)到100%的填充比，而CMOS由于周?chē)碾娐吩赜绊?，它的填充比一般?0%左右。

ⅱ)CCD傳感器更適應(yīng)低對(duì)比度的場(chǎng)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(chǎng)合的需要。

ⅳ)CMOS傳感器由于其電路結(jié)構(gòu)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(qū)域來(lái)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(qū)域時(shí)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(yīng)于便攜設(shè)備和空間應(yīng)用。但有一點(diǎn)很明顯，隨著兩者技術(shù)的進(jìn)步，在同檔次的相機(jī)上差別也越來(lái)越小，因而選擇何種創(chuàng)感器主要是遵守適用原則。

(5)問(wèn)：CCD是數(shù)字器件?

答：雖然CCD與許多數(shù)字器件一樣用到時(shí)鐘，但是光的采集和輸出是以模擬形式進(jìn)行的。輸入CCD的時(shí)鐘用于從光敏器件轉(zhuǎn)移電荷到輸出放大器上。輸出信號(hào)是模擬的，必須被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被計(jì)算機(jī)處理。

(6)問(wèn)：模擬輸出相機(jī)與數(shù)字輸出相機(jī)之間的區(qū)別是什么?

答：模擬相機(jī)的視頻輸出是用模擬電信號(hào)傳輸視頻信號(hào)，這種相機(jī)通常用于閉路電視，或者與數(shù)字化視頻波形的采集卡相連。數(shù)字相機(jī)其內(nèi)部有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳輸，能夠直接顯示在電腦或電視屏幕上，因而數(shù)字輸出相機(jī)可以避免傳輸過(guò)程的圖像衰減或噪聲。

(7)問(wèn)：我應(yīng)該選擇何種輸出接口的相機(jī)?

答：輸出接口類(lèi)型的選擇主要由您需要獲得數(shù)據(jù)類(lèi)型決定。如果您的圖像輸出直接給視頻監(jiān)視器，那么您只需要模擬輸出的相機(jī)(對(duì)單色圖像需求就是CCIR或RS-170制式輸出，對(duì)彩色圖像需求就是PAL或NTSC制式輸出)。如果您需要將相機(jī)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(jié)將進(jìn)一步介紹)：

ⅰ)模擬接口仍然可以適用，圖像信號(hào)需要一張圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，這樣的搭配價(jià)格最低因而是最常見(jiàn)的。

ⅱ)對(duì)一些沒(méi)有其它采集卡控制需求和圖像傳輸可靠性需求的應(yīng)用，采用直聯(lián)的USB2.0接口和IEEE1394 (Fire Wire)最為方便。

ⅲ) Camera link接口是一種數(shù)字輸出標(biāo)準(zhǔn)，它需要一張采集卡來(lái)承載，并用以配合高性能的面掃描相機(jī)或線(xiàn)掃描相機(jī)，隨著該數(shù)字接口的推廣和完善，價(jià)格也不如預(yù)期的那樣昂貴。ⅳ)此外，也有一些老一點(diǎn)的數(shù)字接口仍然再被使用，比如 LVDS RS644。

(8)問(wèn)：什么是垂直同步、彩色視頻復(fù)合信號(hào)同步、外同步、直流線(xiàn)鎖定和完全同步?

答：這是攝像機(jī)之間不同的同步方法。全體鎖定是兩部用于精密的應(yīng)用如廣播攝影棚攝像機(jī)之間完全同步最好的方法。它將同步：水平，垂直，偶數(shù)/奇數(shù)區(qū)域，色彩觸發(fā)頻率和階段。垂直同步是最簡(jiǎn)單的方法來(lái)同步兩部攝像機(jī)，通過(guò)垂直驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)保證視頻能夠采用老式的切換期或者四分割機(jī)器，在同一個(gè)監(jiān)視器上顯示幾個(gè)影像源。垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常由重復(fù)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(fù)合信號(hào)代表視頻和彩色觸發(fā)信號(hào)，意味著攝像機(jī)能和外部的復(fù)合彩色視頻信號(hào)同步。

然而盡管稱(chēng)作彩色視頻復(fù)合信號(hào)同步，實(shí)際上只進(jìn)行水平同步和垂直同步，而沒(méi)有色彩觸發(fā)同步。外同步非常類(lèi)似于彩色視頻復(fù)合信號(hào)同步。一個(gè)攝像機(jī)能夠同步于另一個(gè)攝像機(jī)的視頻信號(hào)，一個(gè)外同步攝像機(jī)能使用輸入的彩色視頻復(fù)合信號(hào)，提取水平和垂直同步信號(hào)來(lái)做同步。

多數(shù)相機(jī)具有垂直驅(qū)動(dòng)同步或者彩色視頻復(fù)合信號(hào)/外同步性能，但是由于監(jiān)控?cái)z像機(jī)永遠(yuǎn)不需要線(xiàn)鎖定，因此閉路監(jiān)控?cái)z像機(jī)幾乎沒(méi)有完全鎖定性能。直流線(xiàn)鎖定是一種古老的技術(shù)，利用直流50/60赫茲電源線(xiàn)電流來(lái)同步攝像機(jī)。因?yàn)橹绷?4伏電源廣泛使用于多數(shù)建筑物防火警報(bào)系統(tǒng)，由于非常容易獲得，因此廣泛應(yīng)用于北美洲。由于老型號(hào)的切換器和分割系統(tǒng)沒(méi)有數(shù)字記憶功能，要保持穩(wěn)定的影像，攝像機(jī)之間的同步非常必要，直流線(xiàn)鎖定就是攝像機(jī)同步于交流50/60赫茲，彩色信道之間時(shí)間的關(guān)聯(lián)和水平/垂直信號(hào)沒(méi)有約束會(huì)導(dǎo)致糟糕的色彩轉(zhuǎn)換(色彩階段設(shè)計(jì))，因此所有使用交流線(xiàn)鎖定的用戶(hù)不可避免地失去很好的色彩轉(zhuǎn)換。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的分割器和16通道復(fù)合處理器以及硬盤(pán)錄像機(jī)都有內(nèi)部記憶體來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題，不再需要同步信號(hào)，因此交流線(xiàn)鎖定可能若干年后會(huì)被淘汰掉。

(9)問(wèn)：什么是電子快門(mén)?為什么有些CCD沒(méi)有電子快門(mén)功能?

答：只要有光照，CCD光敏部分就會(huì)產(chǎn)生電子。由于像素必須被讀出，如果讀出需要很長(zhǎng)時(shí)間，圖像就會(huì)變差。這與使用慢速快門(mén)拍攝運(yùn)動(dòng)物體的原理一樣。通常在讀出時(shí)間內(nèi)中止信號(hào)產(chǎn)生。然而，關(guān)掉光照就需要某種形式的機(jī)械快門(mén)或者電子快門(mén)。有些CCD設(shè)計(jì)為只要信號(hào)產(chǎn)生就迅速傳送到CCD的某一金屬區(qū)域，由于光照不能夠穿透金屬，信號(hào)產(chǎn)生就會(huì)中止，CCD就能夠沒(méi)有干擾的讀出。這種快速傳送到保護(hù)區(qū)域就稱(chēng)作電子快門(mén)，因?yàn)槔秒娮涌刂菩盘?hào)產(chǎn)生時(shí)間。

(10)問(wèn)：硅對(duì)光的敏感度超過(guò)1100nm，但為什么沒(méi)有能夠檢測(cè)到這些波長(zhǎng)的CCD?

答：硅對(duì)光的敏感度的確超過(guò)1100nm，然而，為什么CCD不能夠檢測(cè)到這些波長(zhǎng)的原因是有些復(fù)雜的: CCD通過(guò)吸收光，將光能量轉(zhuǎn)換成電能量來(lái)工作。這些電子在CCD中傳送到輸出放大器中，這里，產(chǎn)生了與像素吸收的光能量成比例的一部分電信號(hào)。被硅吸收的光能量取決于波長(zhǎng)。藍(lán)光能夠被硅高度吸收，而大多數(shù)的光實(shí)際上是被CCD上的多個(gè)硅溝吸收。結(jié)果，只有一小部分的藍(lán)光被CCD損耗區(qū)域吸收，這里像素聚集電子。在可見(jiàn)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(guò)了大量硅的光才能被吸收而產(chǎn)生電子。這些電子漂移到CCD損耗區(qū)域被像素吸收，或者在別處漂移直到它們的能量耗盡。