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工业相机的成像原理

作 者:康耐德智能关注:1192发表时间:2018-09-20 09:57:14来源:网络资源

数字相机成像原理:被检物品反射光线,经过工业镜头折射在感光传感器上(CCD或者CMOS)产生模拟的电流信号,此信号经过模数转换器转换至数字信号,然后传递给图像处理器,得到图像,然后通过[ 工业相机]通信接口,传入计算机中,以方便后续图像处理分析。成像原理总结如下图。

 


由于感光元件生成的电信号实在太微弱了加上在此过程中会产生大量电压损耗,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责,经放大器处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;因信号只通过一个放大器进行放大,所以产生的噪点较少。

 

由于CCD相机本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理,然后以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。


 

CMOS相机工作原理:CMOS是互补金属氧化物半导体的简称,CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑,当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后,电信号首先被该感光元件中的放大器放大,然后直接转换成对应的数字信号。换句话说,在CMOS传感器中,每一个感光元件都可产生的数字输出,所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理,问题恰恰是发生在这里,CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件,无法保证每个像点的放大率都保持严格一致,致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在后面的输出结果上,就是图像中出现大量的噪声,品质明显低于CCD传感器,不过目前这方面的技术已大幅改善。


 

由于CCD是信号统一放大,所以噪声小,CMOS是各个感光元器件信号单独放大,导致噪声较大,但是CMOS传感器的优势有分辨率大、成本低,体积小等目前在工业相关展会上,很难看到CCD的身影,也侧面说明CMOS会是未来工业相机传感器的主流。有关CCD相机CMOS相机的主要区别总结如下表:


 

黑白[工业相机]成像原理:以8位数据深度的黑白工业相机为例,每个像素将光强度对应转换成256级数据,黑色被认作“0”,白色被认作“255”,从而将每个像素接受的光强度转换为数值数据,即灰度值。


 

黑白图片即为按像素排列的棋盘格,存储为一系列有序的灰度值的组合。

 

彩色工业相机成像原理:彩色工业相机的成像模式有3芯片模式和bayer模式。

3芯片模式:采用三棱镜将射入的光分成三束,每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色,然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。该方法需要三块感光芯片,造价比较昂贵。


 

Bayer模式:Bayer模式由Bayer先生提出的,只用一块图像传感器,就解决了颜色的识别。他的做法是在图像传感器前面,设置一个滤光片,上面布满了滤光点,与下层的像素一一对应。也就是说,如果传感器是1600x1200像素,那么它的上层就有1600x1200个滤光点。每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色,这意味着在它下层的像素点只可能有四种颜色:红、绿、蓝、黑(表示没有任何光通过)。


Byer滤光片上的滤光点的排列是有规律的:每个绿点的四周,分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点。由于人眼对绿色更为敏感,所以绿色是红、蓝的两倍。


 

光线通过只有三种颜色的Byer滤光片合成彩色图像,需要后期的算法处理--临近插值。以黄光为例,它由红光和绿光混合而成,那么通过滤光层以后,红点和绿点下面的像素都会有值,但是蓝点下面的像素没有值,因此看一个像素周围的颜色分布----有红色和绿色,但是没有蓝色----就可以推测出来这个像素点的本来颜色应该是黄色。

 

这种计算颜色的方法,就叫做“去马赛克”。下图的下半部分是图像传感器生成的"马赛克"图像,所有的像素只有红、绿、蓝、黑四种颜色;上半部分是"去马赛克"后的效果,这是用算法处理的结果。而原始马赛克图像,就是raw格式。


 

[工业相机]成像分为黑边和彩色两种,成像色彩的不同与感光芯片(CCD/CMOS)有很大关系。

CCD工业相机工作原理:CCD工业相机是电荷耦合器件的简称,在感光像点接受光照之后,感光元件产生对应的电流,电流大小与光强对应,因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD工业相机传感器中,每一个感光元件都不对此作进一步的处理,而是将它直接输出到下一个寄存器,结合该元件生成的模拟信号输出给第三个寄存器,一次类推,知道结合后一个寄存器后,才能形成统一的输出。



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