機(jī)器視覺(jué)傳感器如何選擇

胤旭機(jī)電 >> 機(jī)器視覺(jué)傳感器如何選擇 : 視覺(jué)傳感器是整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)信息的直接來(lái)源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺(jué)傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處

相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的眼睛，而相機(jī)的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準(zhǔn)確性、輸出、靈敏度、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的成本以及對(duì)應(yīng)用要求的充分理解。對(duì)傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開(kāi)發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

大多數(shù)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的用戶(hù)認(rèn)識(shí)到相機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當(dāng)作視覺(jué)系統(tǒng)的“芯片”。相機(jī)本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)：包括鏡頭、信號(hào)處理器、通訊接口，以及比較核心的部分——把光子轉(zhuǎn)換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來(lái)支持相機(jī)的功能，傳感器比較終決定相機(jī)的比較高性能。

業(yè)內(nèi)的許多討論都集中在加工技術(shù)上，以及CMOS和CCD傳感器孰優(yōu)孰劣。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足之處，所加工的傳感器有著不同的性能。比較終用戶(hù)關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來(lái)的，而是其在比較終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

在指定的應(yīng)用中，三個(gè)關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度。動(dòng)態(tài)范圍決定系統(tǒng)能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱(chēng)作對(duì)細(xì)節(jié)的體現(xiàn)能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少?gòu)垐D像和系統(tǒng)能夠接收到的圖像的輸出量。響應(yīng)度指的是傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率，它決定系統(tǒng)需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設(shè)計(jì)共同決定上述特征，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在選擇傳感器時(shí)必須有自己的衡量標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)的研究這些特征將有助于做出正確的判斷。

正確理解動(dòng)態(tài)范圍

傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是比較容易使人疑惑和誤解的地方，這是因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是數(shù)字的。圖像的動(dòng)態(tài)范圍包括兩部分：一是傳感器能夠工作的曝光范圍(亮度的倍數(shù));其次是傳感器能夠數(shù)字化像素信號(hào)的電平的數(shù)量，用位數(shù)表示。這兩部分通常是緊密相關(guān)的。

曝光的動(dòng)態(tài)范圍表示傳感器能夠正常工作的亮度水平。當(dāng)光子撞擊圖像傳感器的活動(dòng)像素區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電子，傳感器將其捕獲并存儲(chǔ)起來(lái)以備系統(tǒng)讀取。撞擊活動(dòng)區(qū)域的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的電子數(shù)就越多，在讀取的間隔中，該過(guò)程持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，被存儲(chǔ)的電子就越多。決定傳感器曝光動(dòng)態(tài)范圍的參數(shù)之一就是填充存儲(chǔ)阱的曝光。制造傳感器的半導(dǎo)體加工工藝和電路設(shè)計(jì)共同決定阱的容量或深度。

電子噪音是傳感器能夠工作的比較低曝光水平，盡管沒(méi)有任何光子撞擊活動(dòng)的像素區(qū)域，圖像傳感器也將以熱量發(fā)射的形式產(chǎn)生電子。要產(chǎn)生可識(shí)別的信號(hào)，必須有足夠的光子撞擊活動(dòng)的像素區(qū)域，以便在存儲(chǔ)阱中有比暗電流噪音所產(chǎn)生的電子數(shù)更多的電子。傳感器的比較低曝光率是產(chǎn)生至少與噪音電子同樣多的光電子數(shù)。只有在超過(guò)噪音等量的曝光水平時(shí)，傳感器才能產(chǎn)生有用的信息。

傳感器的曝光動(dòng)態(tài)范圍是由其物理和電路設(shè)計(jì)所決定的功能，而數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍只是由電路設(shè)計(jì)所決定的功能。圖像傳感器的數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍只是說(shuō)明它能夠提供給視覺(jué)系統(tǒng)的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個(gè)灰度優(yōu)質(zhì)，10位的有1024個(gè)，以此類(lèi)推。表示動(dòng)態(tài)范圍的位數(shù)并不是反映傳感器能夠響應(yīng)的比較高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對(duì)應(yīng)的。

比暗電流噪音水平小的等量的信號(hào)度不能產(chǎn)生有用的信息，類(lèi)似地，如果數(shù)字化值大于傳感器的比較大信號(hào)值，也不會(huì)產(chǎn)生額外的信息。在實(shí)踐中，傳感器需要設(shè)計(jì)成等量信號(hào)度與暗電流噪音水平等值，并有足夠信號(hào)步進(jìn)度達(dá)到飽和的曝光信號(hào)水平。按此方式設(shè)計(jì)，傳感器的數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍與其曝光動(dòng)態(tài)范圍說(shuō)明的是同一事物：飽和等量曝光與噪音等量曝光的比率。

交互作用決定取舍

傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一定程度上決定機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，位數(shù)越高，系統(tǒng)能夠分辨的圖像的細(xì)節(jié)就越細(xì)微。對(duì)更低的暗電流噪音和高精度的需求的日益提高，使傳感器的成本變得越來(lái)越昂貴。然而，不是所有的應(yīng)用都需要精細(xì)的圖像。因此，設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)了不同動(dòng)態(tài)范圍的傳感器供選擇。例如，郵包分揀或電子生產(chǎn)檢查，8位的動(dòng)態(tài)范圍就可以有效地工作。但是，醫(yī)療和空中偵察就需要14位的動(dòng)態(tài)范圍。

應(yīng)用需求還對(duì)傳感器的第二項(xiàng)特征速度提出了要求。速度是比動(dòng)態(tài)范圍更直觀的特征，它只是衡量傳感器采集和傳送圖像到系統(tǒng)的速度有多快。傳感器的速度也包括兩個(gè)方面：一個(gè)是幀頻，也就是傳感器傳送像素?cái)?shù)據(jù)到系統(tǒng)所需要的時(shí)間。另外就是傳感器為了采集一幅有用的圖像所需的曝光時(shí)間。幀頻永遠(yuǎn)都不會(huì)比曝光時(shí)間快，因此幀頻是用來(lái)說(shuō)明傳感器性能的通用量值。

在加工檢查類(lèi)的應(yīng)用中，傳感器的速度決定系統(tǒng)的輸出。如果每一幅圖像代表待檢的一個(gè)零件，那么系統(tǒng)每秒能夠檢查的零件數(shù)量不會(huì)高于傳感器每秒能夠發(fā)送的幀數(shù)。當(dāng)成像的物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為防止出現(xiàn)圖像模糊，必須要求高的采集速度。因此對(duì)于高輸出量的檢測(cè)系統(tǒng)和對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的成像應(yīng)用需要高速的傳感器。

速度和動(dòng)態(tài)范圍是相互關(guān)聯(lián)的，為了快速地傳送圖像，傳感器必須快速地對(duì)每一個(gè)像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。這就意味著模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器需要快速地形成一個(gè)穩(wěn)定的輸出。

從物理層面和設(shè)計(jì)角度上講，速度應(yīng)該讓步于動(dòng)態(tài)范圍。電路運(yùn)行的速度越快，產(chǎn)生的熱量就越多。傳感器的暗電流噪音隨著溫度的增加而增加，因此傳感器的速度越高，其噪音就越大，動(dòng)態(tài)范圍就越低。高速的傳感器比低速的傳感器的噪音更大，而且能提供的動(dòng)態(tài)范圍更低。

傳感器的速度與其第三項(xiàng)特征響應(yīng)度也是相關(guān)聯(lián)的。應(yīng)用中所需的幀頻越高，用于曝光的時(shí)間就越少。為了減少曝光時(shí)間，設(shè)計(jì)師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應(yīng)度的傳感器。

響應(yīng)度是指在給定的曝光條件下，所產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度(V)。在圖像傳感器中，有三個(gè)因素控制響應(yīng)度：**是量子的效率，或者說(shuō)是每個(gè)光子所產(chǎn)生的電子的數(shù)量。第二個(gè)要素是存儲(chǔ)電荷(q)的傳感器輸出電路的電容(C)的大小，電荷的信號(hào)電壓公式是V=q/C。第三個(gè)要素是傳感器的輸出放大器增益。如果傳感器在與噪音等量的曝光水平下運(yùn)行時(shí)，增益本身并不能提高傳感器的響應(yīng)度。

開(kāi)發(fā)人員在為他們的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選購(gòu)傳感器時(shí)，必須在動(dòng)態(tài)范圍，速度和響應(yīng)度這三個(gè)關(guān)鍵要素之間做出取舍。高速度和低光照度將導(dǎo)致噪音增加并降低動(dòng)態(tài)范圍。在動(dòng)態(tài)范圍允許的情況下，對(duì)成像細(xì)節(jié)的高要求也需要提高光照強(qiáng)度以彌補(bǔ)較低的響應(yīng)度。傳感器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項(xiàng)關(guān)鍵要素之間做出平衡。

以上提到的三項(xiàng)關(guān)鍵要素并不是構(gòu)成傳感器選擇的優(yōu)質(zhì)考量，另外還有兩項(xiàng)重要的因素：傳感器的分辨率和像素間距，其中任何一項(xiàng)都能夠影響圖像的質(zhì)量并且與上述三項(xiàng)關(guān)鍵要素相互作用。

分辨率是指由多少個(gè)像素構(gòu)成一幅圖像，它是反映傳感器尺寸和像素間距的量值。應(yīng)用所需要的傳感器的分辨率決定于幾項(xiàng)相關(guān)的要素：包括視野、工作距離、傳感器大小和像素間距以及系統(tǒng)所要求的采集空間細(xì)節(jié)所需的像素的數(shù)量等。傳感器的分辨率越高，其時(shí)鐘必須運(yùn)行的越快以獲得需要的幀頻。因此，傳感器的分辨率對(duì)速度有非常大的影響。

像素間距定義單個(gè)像素區(qū)域的大小，與傳感器的大小共同作用來(lái)決定傳感器的分辨率。由于傳感器通常只有有限的大小可選，所以像素的間距越小，其分辨率就越高。像素間距能夠影響響應(yīng)度，但是間距越小，每個(gè)像素能夠采集光子的活動(dòng)區(qū)域就越小。

比較終，所有這些傳感器的要素都要與相機(jī)的其它部件相互影響。相機(jī)鏡頭的分辨率是通過(guò)調(diào)制解調(diào)函數(shù)(MTF)來(lái)衡量的，例如，鏡頭的分辨率必須與傳感器的像素間距相匹配才能獲得理想的成像質(zhì)量。在傳感器分辨率允許的范圍內(nèi)，一個(gè)5微米 MTF的鏡頭在3微米的像素間距的傳感器上所成的黑白線(xiàn)模式只能形成灰色的圖像。因此，在選購(gòu)傳感器時(shí)必須采購(gòu)與之匹配的其它系統(tǒng)部件。

比較重要的一點(diǎn)是要充分理解應(yīng)用對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度的需求。需求決定哪些性能是在可接受的范圍之內(nèi)，比較終決定系統(tǒng)的其它部件的要求。