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工业相机亚像素名词解析 线阵相机和面阵相机的工作模式解读

来源:加一伟业 发布日期:2019-07-20

  工业相机的成像面以像素为最小单位。例如某CMOS摄像芯片,其像素间距为5.2微米。工业相机拍摄时,将物理世界中连续的图像进行了离散化处理。到成像面上每一个像素点只代表其附近的颜色。至于“附近”到什么程度?就很困难解释。两个像素之间有5.2微米的距离,在宏观上可以看作是连在一起的。但是在微观上,它们之间还有无限的更小的东西存在。这个更小的东西我们称它为“亚像素”。实际上“亚像素”应该是存在的,只是硬件上没有个细微的传感器把它检测出来。于是软件上把它近似地计算出来。

  一般用分辨率这个名词来描述CCD芯片上的行列数。实际上,CCD芯片是一个抽样器件,它的最大抽样率由抽样定律决定,即抽样率必须高于奈奎斯特频率的2倍。抽样理论在一维时间信号中得到了广泛的使用,但并没有被完全的应用到CCD芯片的信号采样中。能够通过亚像素算术来提高CCD芯片的抽样率,理论就是把一个像素看作是由亚像素组成的子图像。

  亚像素精度是指相邻两像素之间细分情况。输入值通常为二分之一,三分之一或四分之一。这意味着每个像素将被分为更小的单元从而对这些更小的单元实施插值算法。例如,如果选择四分之一,就相当于每个像素在横向和纵向上都被当作四个像素来计算。因此,如果一张5x5像素的图像选择了四分之一的亚像素精度之后,就等于创建了一张16x16的离散点阵,进而对该点阵进行插值。

  通常,我们能够处理亚分辨率为10×10亚像素的图像。一个典型的例子就是决定一个斑点的重心(如下图a所示)。由于积分特性,原始像素位置误差与其本身输出相同。假设一个灰度级的一维图像。如图b所示,如果灰度值的转折点刚好出现在像素的边缘,那么容易确切得知道轮廓点的位置。但实际的转折点可能不在一个理想的级别,我们不能够准确的知道芯片上转折点剪切像素的位置。另外更重要的,模糊的灰度级允许灰度级差值,因此我们就能够决定亚像素的位置作为灰度级的功能。不管怎样,只有将CCD芯片内的模拟图像尽可能精确地描绘在图像处理单元的内存中,亚像素算法才能是精确的。

  图a                                       图b

  线阵相机和面阵相机的工作模式解读

       工业相机作为机器视觉系统中最核心的不见,按照多方面标准分类众多。按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机。本章具体了解下两种相机的工作模式。

         面阵相机作为工业相机的一个类别,在机器视觉应用中也是很广泛的。可以短时曝光,利于抢拍动态景物,当然也可以拍静态景物。因此,对于面阵相机的工作模式也是多样化的。那么各种工作模式的具体要求和优点都有哪些?

  1、连续模式

  

         (1)曝光时间不超过传输时间

         (2)帧速率独立于曝光时间不变

         (3)内部曝光控制

  2、伪连续模式

   

         (1)曝光时间可以超过传输时间

         (2)帧速率等于(曝光+传输)时间的倒数

         (3)传输数据量大时采用

  3、触发模式

         (1)内部曝光控制

         (2)外部触发

         (3)有一段延时才会获取图像

  4、异步复位模式

         (1)要求处于异步工作模式下

         (2)无延迟得到当前图像

         (3)采集卡送给相机曝光信号

  5、可编程控制模式

         (1)外部曝光控制

         (2)相机控制延迟时间

         (3)可编程控制曝光时间

  6、长时间积分模式

         (1)外部或内部曝光控制

         (2)曝光时间长于传输时间

         (3)相当于多图累加,增加亮度,凝胶、暗室操作多用

         在机器视觉领域中,线阵相机作为一类特殊的工业相机。线阵相机是采用线阵图像传感器的相机。与面阵相机相比,它的传感器只有一行感光元素,使高扫描频率和高分辨率成为可能。因此,线阵相机的典型应用领域是检测连续的材料,例如金属、塑料、纸和纤维等高精度行业。那么,线阵相机的工作模式会是怎么样的呢?下面,您将要看到的是关于线阵相机工作模式的相关知识。

  1、固定线扫描速度连续模式

         (1)Fixed line rate固定扫描速度

         (2)目标物体以恒定速度运行

         (3)线扫描速度取决于行同步信号的频率

  2、可变线扫描速度触发模式

         (1)Line trigger线触发

         (2)目标物体运行速度不定

         (3)线扫描速度取决于外部触发脉冲时间

  3、可变线扫描速度可变帧大小模式

         (1)Line trigger线触发+Frame trigger场触发

         (2)目标物体运行速度不定且大小不固定

         (3)线扫描速度取决于外部触发脉冲时间

  以下是相关网友的提问:

  1、工业相机多少钱?

  问题比较的笼统,工业相机的价位一般在几百到几十万不等,从分辨率,帧率,数据格式等不同来区分。一般用的比较多的工业相机价格在2000-6000这个范围区间内。

  2、工业相机有什么用途呢?

  工业相机又俗称摄像机,相比于传统的民用相机(摄像机)而言,它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力。一般用于流水线监控等工业环境。

  3、工业相机的主要参数

  1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels),对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的,对于模拟相机机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480,模拟相机已经逐步被数字相机代替,且分辨率已经达到6576*4384。

  2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit、14Bit等。

  3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):相机采集传输图像的速率,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(Lines/Sec.)。

  4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于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采集方式,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、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,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10微秒,高速相机还可以更快。

  5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。数字相机像元尺寸为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(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350nm-1000nm,一些相机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

  7.接口类型:有Camera Link接口,以太网接口,1394接口、USB接口输出,目前最新的接口有CoaXPress接口。