目前,如何選擇機(jī)器視覺(jué)傳感器在當(dāng)代的應(yīng)用可謂是越來(lái)越廣泛,如何選擇機(jī)器視覺(jué)傳感器是值得我們好好學(xué)習(xí)的,現(xiàn)在我們就深入了解如何選擇機(jī)器視覺(jué)傳感器。
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,以及最核心的部分——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,傳感器最終決定相機(jī)的最高性能。
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。最終用戶關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來(lái)的,而是其在最終應(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)范圍是最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最低曝光水平,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。傳感器的最低曝光率是產(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)灰度級(jí),10位的有1024個(gè),以此類推。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)的最高曝光的必須要素,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,類似地,如果數(shù)字化值大于傳感器的最大信號(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:第一是量子的效率,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)成傳感器選擇的唯一考量,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)行得越快,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。
最終,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。
最重要的一點(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),最終決定系統(tǒng)的其它部件的要求。