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工业相机特性介绍及其差异、动态范围、信噪比和比特数

来源:加一伟业 发布日期:2019-10-14

   【工业相机特性介绍及其差异】

  当前应用最广泛的数字工业相机有CCD 数字工业相机和CMOS 数字工业相机两大类。

  CCD 数字工业相机

  CCD 是电荷藕合器件(Charge Coupled Device)的简称,它是应用最广泛的图像传感器之一。一个CCD 图像传感器是成像像元为X-Y 纵横矩阵排列,每个成像像元由一个光电二极管和其控制的一个相邻电荷存储区组成。光电二极管将光线(光子)转换为电荷(电子),电荷存储区收集到的电子总数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时,各列电荷存储区收集到的光生电子被移动到垂直电荷传输方向的电荷传递寄存器中,然后各列电荷传递寄存器中的电荷按行被移到总的行电荷传递寄存器中,总的行电荷传递寄存器中每行的电荷信息再被连续读出,通过同一电荷/电压转换器和放大器来生成图像信息。当光强不太强时,CCD传感器的响应是线性的, CCD 像元内的电荷存储区可以存储全部光电荷,此为线性范围。当光强继续增大时,因为电荷存储区已存储了很多光生电荷,由光生电荷产生的电场会妨碍像元按线性继续积累电荷,CCD 便进入了饱和区。如果光强进一步增大,电荷存储势阱将填满电子,而过剩的电子会向外溢出。

  如果没有特殊措施,溢出的电子将进入相邻像素,致使本来工作在线性区域的相邻像素在收集到溢出电子后进入饱和区或也向外溢出电子,使图像出现光晕现象,图像清晰度也就明显下降了。CCD 图像传感器的原理和结构使其有较好光照灵敏度高、噪音低、图象质量较高的优点,一般CCD 工业相机的动态范围在60dB 左右。但在图像中有高亮度的点或区域时,CCD 图像传感器存在让图像质量严重劣化的“Blooming”和“Smear”效应。

  【工业相机动态范围、信噪比和比特数】

  在日常选择工业相机的过程中,我们很容易会看到动态范围、信噪比、比特数这样的词汇,但很少有人能够讲的清楚这些概念的含义和三者之间的关系,那么今天跟着轩展科技一起来了解这些参数之间的奥秘。

  在机器视觉系统中,反映每一个像元灰度质量的指标是动态范围,也是机器视觉系统要考虑的重要指标之一。动态范围和空间分辨率是机器视觉系统的二个主要指标。

  灰度的动态范围在工业相机中的模拟视频部分用信号/噪音比(Signal to Noise Ratio),SNR,表示;而在工业相机或图像采集卡的A/D转换之后的数字视频量是用比特(bits)位数n表示。

  在现实世界中,一幅图像会同时具有最亮和最暗的区域,它们之间的差距可能是十分巨大的,机器视觉系统所采集的图像应尽可能地反映出这种灰度的巨大变化范围。

  此外,在现实世界中图像灰度的微小变化,可能就是机器视觉系统要区别的目标和背景的界限,所以机器视觉系统也应尽可能地将图像中灰度的细微变化反映出来。

  这二个概念合并起来,就是动态范围。而它又主要取决于工业相机的性能。

  CCD的动态范围、灵敏度和信噪比是互相影响的三个指标,它们从三个不同的角度来反映CCD工业相机的灰度性能。

  1、信噪比:SNR

  SNR以分贝表示

  式中的S是最亮时的视频电压Vmax和最暗时的视频电压Vmin之差

  工业相机的最大输出电压Vmax取决于它能接受的最大未饱和入射光的能力,即在这一最大光照下,工业相机的视频输出电压还未饱和,尚能线性表达其亮度的变化;最小输出电压Vmin为工业相机接收最小光照的能力,即接收图像最暗区域的能力,它除了与图像传感器本身的材料、结构有关外(例如CCD还是CMOS工业相机),尚和工业相机的噪音有关,噪音越大,可检出最暗图像的能力越差。

  2、比特位数n:A/D转换将模拟视频信号转换成二进制数字信号

  A/D转换后的数字视频的精度和动态范围取决于二进制比特位数n,例如8bits二进制数表达了0-255个灰度,而10bits为0-1023个灰度,位数n越高,视频灰度信号分得越细,越精密,也意味着动态范围越大,n个二进制值中的最小位值是A/D将灰度分得最细的单位,称作LSB。目前市面上的工业相机A/D转换位数有8位、10位、12位、14位、16位或更高,国产相机目前大部分处于8位或10位A/D居多,极少见到14位以上工业相机。

  以下是相关网友的提问:

  1、几种工业相机参数对比

  相机标定方法有:传统相机标定法、主动视觉相机标定方法、相机自标定法。传统相机标定法需要使用尺寸已知的标定物,通过建立标定物上坐标已知的点与其图象点之间的对应,利用1定的算法取得相机模型的内外参数。根据标定物的不同可分为3维标定物和平面型标定物。3维标定物可由单幅图象进行标定,标定精度较高,但高精密3维标定物的加工和保护较困难。平面型标定物比3维标定物制作简单,精度易保证,但标定时必须采取两幅或两幅以上的图象。传统相机标定法在标定进程中始终需要标定物,且标定物的制作精度会影响标定结果。同时有些场合不合适放置标定物也限制了传统相机标定法的利用。目前出现的自标定算法中主要是利用相机运动的束缚。相机的运动束缚条件太强,因此使得其在实际中其实不实用。利用处景束缚主要是利用处景中的1些平行或正交的信息。其中空间平行线在相机图象平面上的交点被称为消失点,它是射影几何中1个非常重要的特点,所以很多学者研究了基于消失点的相机自标定方法。自标定方法灵活性强,可对相机进行在线定标。但由于它是基于绝对2次曲线或曲面的方法,其算法鲁棒性差。基于主动视觉的相机标定法是指已知相机的某些运动信息对相机进行标定。该方法不需要标定物,但需要控制相机做某些特殊运动,利用这类运动的特殊性可以计算出相机内部参数。基于主动视觉的相机标定法的优点是算法简单,常常能够取得线性解,故鲁棒性较高,缺点是系统的本钱高、实验装备昂贵、实验条件要求高,而且不合适于运动参数位置或没法控制的场合。

  2、工业相机动态范围

  工业相机中动态范围是什么意思?

  表示相机的动态范围表明相机探测光信号的范围,动态范围可用两种方法来界定,一种是光学动态范围,指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值,由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围,他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值,不随外界条件变化而变化。在线性响应去,相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值:动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB 或Bit 等方式来表示。动态范围大,则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

  3、低照度工业相机性能参数和特点

  像素数 :指的是工业相机 CCD 传感器的电大像素数,像素数越多则意味着每一像素单元的面积越小,因而由该芯片构成的工业相机的分辨率 也就越高。

  分辨率 :是衡量工业相机优劣的一个重要参数,它指的是当工业相机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时,在监视器上能够看到的最多线数。

  最低照度:指的是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使工业相机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。

  信噪比:其基本定义是信号对于噪声的比值乘以 20log 。 CCD 工业相机的信噪比的典型值一般为 45---55dB 。