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在机器视觉中,相机的作用是将通过镜头的光信号转换为电信号,其中最重要的组成部件是数字传感器,最为常用的有CCD(Charge-coupled
device)和CMOS(cnmplementary  metal-oxide semiconductor)两种。

如何评价CCD和CMOS传感器性能呢?对于如此专业的仪器,当然也要用专业的指标来评判啦,可不是用眼睛能够看出来的哦。

传感器作为摄像机的核心部件,决定着图像质量.被摄物体的图像经过镜头聚焦至传感器芯片上,传感器根据光的强弱进行处理,形成视频信号输出。CCD和CMOS是当前被普遍采用两种图像传感器,图像传感器六大硬件技术指标主要有像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率、信噪比。

1.CCD于CMOS的区别

1、图像传感器的像素是很重要的,传感器中每一个感光单元对应一个像素,像素越高,成像效果越清晰,细节表现越好。

大家可能有这样的疑问,同样是高清网络摄像机为什么图像效果会有差异呢?使用同样的配件,为什么晚上的效果也不同呢?其实这是与我们使用的sensor的硬件技术指标相关的,不管是CCD还是CMOS图像传感器,主要有“像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率、信噪比”这六大硬件技术指标。下面简单的为大家介绍一下这些硬件指标,以便于大家进一步了解高清网络摄像机。

(1)成像过程

2、靶面尺寸也是重要的因素。主要是指图像传感器感光部分的大小,与通光量有密切关系。靶面越大通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深,因此对于靶面尺寸的要求要根据实际情况决定。

像素:传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷,从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中,每一个感光单元对应一个像素(Pixels),像素越多,代表着它能够感测到更多的物体细节,从而图像就越清晰,像素越高,意味着成像效果越清晰。关联一下我们中维世纪的产品:100W网络摄像机分辨率是1280X720,两个值相乘得出的就是像素值,就是近100万个像素点,130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130万个像素点。从图像效果上看,130W的效果比100W的要好一些。

CCD 和 CMOS
使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:CCD
是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;CMOS
则以类似 DRAM的方式读出信号,并行读取,电路简单,读出速率高。

3、通过CCD或CMOS的电子线路感应入射光线的强弱,也就常说的感光度。对于拍摄运动画面,感光度就十分重要了,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高。

靶面尺寸:图像传感器感光部分的大小,一般用英寸来表示。和电视机一样,通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度,如
常见的有1/3英寸,靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量,而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。”关联一下我们中维世纪的产品:100W产品是1/4英寸,130W是1/3英寸,200W是1/2.7英寸,大家从画面上就能感知到上面提到的靶面尺寸的不同带来的图像画质的变化。

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4、电子快门,主要用来控制图像传感器的感光时间。一般来说,电子快门越快,感光度越低,越能适应强光下拍摄。

感光度:即是通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高,这在拍摄运动车辆,夜间监控的时候尤其显得重要。这就是解释了为什么不同的摄像机夜视会有很大差别,感光度的单位是V/LUX-SEC,V(伏)就是我们通常说的电压的单位,LUX-SEC:是光强弱的单位,这个比值越大,夜视效果越好。

CCD数据读取结构图

5、信噪比是信号电压对于噪声电压的比值,信噪比越大说明对噪声的控制越好。信噪比的典型值为45~55dB。

电子快门:是比照照相机的机械快门功能提出的一个术语。其控制图像传感器的感光时间,由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累,感光越长,信号电荷积累时间也越长,输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快,感光度越低,适合在强光下拍摄。

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6、单位时间所记录或者播放的图片的数量称为帧率,也是考量CMOS和CCD图像传感器的重要因素。要想获得流畅、逼真的视觉体验,高帧率就必不可少了。

帧率:既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/秒的时候,
人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24幅/s~30幅/s之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。

CMOS图像读取结构图

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信噪比:是信号电压对于噪声电压的比值,信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为45~55dB,若为50dB,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为60dB,则图像质量优良,不出现噪声,信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系的图像中噪点的数量,信噪比越高,给人感觉画面越干净,夜视的画面中点状的噪点就越少。

(2)集成度

标签: CMOS传感器 传感器

采用特殊技术的CCD读出电路比较复杂,很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要
3~8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。

借助于大规模集成制造工艺,CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。

(3)电源、功耗和体积

CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS光电传感器只需使用一个电源(3V~5
V),耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,高度集成CMOS
芯片可以做的相当小,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

(4)性能指标

CCD电荷耦合器制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。而
CMOS
正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端CMOS图像质量暂时不如CCD,但有些指标(如传输速率等方面)已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点,国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。

2. CCD与CMOS图像传感器的硬件技术指标

(1)像素

传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷,从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中,每一个感光单元对应一个像素(Pixels),像素越多,代表着它能够感测到更多的物体细节,从而图像就越清晰,像素越高,意味着成像效果越清晰。

(2)靶面尺寸

图像传感器感光部分的大小,一般用英寸来表示。和电视机一样,通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度,如
常见的有1/3英寸,靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量,而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。

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CMOS和CCD可以输出多种不同规格的分辨率,但一般都会满足某种视频信号标准,如:

VGA:640*480

XGA:1024*768

SXGA:1280*1024

UXGA:1600*1200

QXGA:2048*1536

(3)感光度

通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高,感光面对光的敏感度就越强,快门速度就越高,这在拍摄运动物体,夜间监控的时候尤其显得重要。这就是解释了为什么不同的摄像机夜视会有很大差别,感光度的单位是V/LUX-SEC,V(伏)就是我们通常说的电压的单位,LUX-SEC:是光强弱的单位,这个比值越大,夜视效果越好

(4)电子快门

相对照相机的机械快门功能提出的一个术语。其控制图像传感器的感光时间,由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累,感光越长,信号电荷积累时间也越长,输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快,感光度越低,适合在强光下拍摄。

(5)帧率

既指单位时间所记录或者播放的图片的数量。连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/秒(即15帧)的时候,
人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24幅/s~30幅/s(即24帧到30帧)之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。

(6)信噪比

信号电压对于噪声电压的比值,信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,使得噪声电平也相应提高。

信噪比的典型值为45~55dB,若为50dB,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为60dB,则图像质量优良,不出现噪声,信噪比越大说明对噪声的控制越好。这个参数关系的图像中噪点的数量,信噪比越高,给人感觉画面越干净,夜视的画面中点状的噪点就越少

 3.工业相机参数

(1)**分辨率**

相机每次采集图像的像素点数,一般对应于光电传感器靶面排列的像元数,如1920*1080。

(2)像素深度

每位像素数据的位数,常见的是8bit,10bit,12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素,则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M(1024bit=1KB,1024KB=1M)。增加像素深度可以增强测量的精度,但同时也降低了系统的速度,并且提高了系统集成的难度(线缆增加,尺寸变大等)。

 (3)最大帧率/行频

相机采集和传输图像的速度,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec),对于线阵相机为每秒采集的行数(HZ)。

(4)曝光的方式和快门速度

 工业线阵相机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式,工业数字相机一般都提供外触发采图的功能,快门速度一般可到10ms,高速相机还会更快。

 (5)像元尺寸

像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般位3μm~10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。

(6)光谱响应特性

是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围为350nm~1000nm,一些相机在靶面前面加了一个滤镜,滤除红外线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

(7)工业相机噪声

噪声是指成像过程中不希望被采集到的,实际成像目标之外的信号。总体上分为两类,一类是由有效信号带来的散粒噪声,这种噪声对任何相机都存在;另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声,每台相机的固有噪声都不一样。

(8)信噪比

相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值(有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值),代表了图像的质量,图像信噪比越高,相机性能和图像质量越好。

 4.工业相机输出接口及相关遵从协议

工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器,那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理,则有多种输出接口选择,但必须和采集卡的接口一致,通常有以下几种方式:

(1)USB接口 – USB3 Vision

USB接口直接输出数字图像信号,串行通信,支持热拔插,传输速度在120Mbps-480Mbps之间,会占用CPU资源。传输距离较短,稳定性稍差。

目前广泛采用的USB2.0接口,是最早应用的数字接口之一,具有开发周期短,成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢,传输数据过程需要CPU参与管理,占用资源,且由于接口没有螺丝固定,链接容易松动,最新的USB3.0接口使用了新的USB协议,可以更快的传输数据。

(2)1394a/1394b接口 – IIDC DCAM

俗称火线接口,是美国电气和电子工程师学会(IEEE)制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集,数据传输率可达800Mbps,支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡,使用不方便,且由于早期苹果对该技术的垄断,市场普及率较低,已慢慢被市场所淘汰。

(3)Gige接口 – GiGe Vision

千兆以太网接口,PC标准接口,传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准,特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点,使用方便,CPU资源占用少,可多台同时使用。

(4)Camera Link接口- Camlink

需要单独的Camera
Link采集卡,成本较高,便携性低,实际应用中较少,但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式,一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用,价格昂贵。

5.相机输出图像格式

(1)Bayer(每个像素8、10、12位)

(2)RGB(每个通道8、10、12位)

(3)YUV(每像素12位4:1:1,每像素16位4:2:2,每像素24位4:4:4,)

6.相机选型关注

(1)分辨率(Resolution);
(2)像素深度(Pixel Depth);
(3)最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate);
(4) 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter);
(5)像元尺寸(Pixel Size);
(6) 光谱响应特性(Spectral Range);

 

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