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工業相機基礎知識(一)

CCD與CMOS

工業相機按照影象的感測器元件的不同分為CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合元件)和CMOS(金氧半導體元件)兩類,兩者的區別如下:

成像過程不同:

CCD僅有一個(或少數幾個)輸出節點統一輸出資料,訊號一致性好,而CMOS晶片中每個畫素都有自己的訊號放大器,各自進行電荷到電壓的轉換,輸出訊號的一致性較差,比CCD的訊號噪聲更多,但是CMOS的一個顯著優點是功效較低。

整合性不同:

CCD的製造工藝複雜,輸出的只是模擬電訊號,還需要後續的譯碼器,模擬轉換器,影象訊號處理器等,整合度低。COMS可以把訊號放大器,模數轉換器等整合在一塊晶片上,整合度高,成本低。隨著CMOS成像技術的進步,CMOS未來會有越來越多的應用場景。

影象輸出速度不同:

CCD採用逐個光敏輸出,速度較慢,CMOS每個電荷元件都有獨立的裝換控制器,讀出速度很快,FPS在500以上的高速相機大部分使用的都是CMOS。

噪聲方面:

CCD技術較為成熟,成像質量相較CMOS具有一定優勢,CMOS的整合度更高,各元器件間距距離更近,干擾更多。

線陣相機與面陣相機

線陣相機的感測器只有一行感光元素,一般應用於需要高頻掃描和高解析度的場合。線陣CCD的優點是一維像元數可以做到很多,一般長度有2K,4K,8K,12K,但線陣CCD獲取影象必須配以掃描運動,為了能確定影象上每一個畫素點在被測件上的對應位置,還需要配以光柵等器件記錄線陣CCD每一掃描行的座標,並配以線陣相機專用的影象採集卡,這就導致線陣相機系統較為複雜,成本略高,並用容易受掃描運動的精度和穩定性的影響。面陣相機的像元在縱橫兩個方向上間隔的離散度是一致的,而線陣CCD的像元間距和掃描行距上一般是有差別的,由於掃描行距受機械傳動部分的限制,遠大於像元間距。

面陣相機有比線陣相機更多的感光鏡片,以矩陣排列,例如常說的百萬畫素相機即表示感光鏡片矩陣W*H約等於1000*1000。面陣相機一次成像,它的解析度指的是一個感光晶片代表的實物物體的大小。數值越小,解析度越高,相同的相機選用不同集中的箭頭,解析度就不同。在表現影象細節方面,不是由相機的畫素多少來決定的,而是由解析度決定的。同等解析度條件下,畫素越多可以成像的區域面積越大。

工業相機的輸出介面:

工業相機輸出介面型別的選擇主要由需要獲得的資料型別決定。如果影象輸出直接給視訊監視器,那麼只需要模擬輸出的工業相機。如果需要將工業相機獲取的影象傳輸給電腦處理,則有多種輸出介面選擇,但必須和採集卡的介面一致,通常有以下幾種方式:

1.USB介面

USB介面直接輸出數字影象訊號,序列通訊,支援熱拔插,傳輸速度在120Mbps-480Mbps之間,會佔用CPU資源。傳輸距離較短,穩定性稍差。

目前廣泛採用的USB2.0介面,是最早應用的數字介面之一,具有開發週期短,成本低廉的特點。其缺點是傳輸資料較慢,傳輸資料過程需要CPU參與管理,佔用資源,且由於介面沒有螺絲固定,連結容易鬆動,最新的USB3.0介面使用了新的USB協議,可以更快的傳輸資料,但目前USB3.0的相機市場上不是很多。

2.1394a/1394b介面

俗稱火線介面,是美國電氣和電子工程師學會(IEEE)制定的一個標準工業序列介面。所以又稱為“IEEE1394”,現主要用於視訊採集,資料傳輸率可達800Mbps,支援熱拔插。電腦上使用1394介面需要使用額外的採集卡,使用不方便,且由於早期蘋果對該技術的壟斷,市場普及率較低,已慢慢被市場所淘汰。

3.Gige介面

千兆乙太網介面,PC標準介面,傳輸速率和距離都更高。是一種基於千兆乙太網通訊協議開發的相機介面標準,特點是快捷的資料傳輸速度和高達100米的傳輸距離。是近幾年市場上應用的重點,使用方便,CPU資源佔用少,可多臺同時使用。

4.Camera Link介面

需要單獨的Camera Link採集卡,成本較高,便攜性低,實際應用中較少,但是是目前工業相機中傳輸速度最快的一種傳輸方式,一般在高解析度的高速面陣相機和線陣相機上應用,價格昂貴。

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