CCD相机及相机接口特性

2016-06-12技术资料

一、最低照度

最低照度是衡量CCD相机灵敏度的重要指标。它表示当降低环境光照度降低至一定程度,而使CCD相机所输出的视频信号电平低到某一规定值时,所对应的环境照度。例如:当环境照度降低至0.04lx时,CCD相机所输出的视频信号的幅值降为最大幅值的50%,则称CCD相机的最低照度为0.04x(F1.2)。当环境照度继续降低,CCD相机所输出视频图像的像质将难以保证。CCD相机的最低照度与所使用镜头的最大相对孔径有关,在提供相机最低照度的同时,应注明测试时所所使用镜头的相对孔径。


二、固定图像噪声(FPN)


当不采用曝光控制时,转移栅结构的非一致性将导致栅极电位的微小变化。同时,栅极限制电阻也使栅极电位产生了微小变化,从而使光电二极管在每一积分周期的开始产生微小的电位差。因为栅极结构的特性是固定的,因此这些微小的电位差称为“固定图像噪声(Fixed Pattern Noise)”;当采用曝光控制时,光电二极管的初始电位由复位管的基极决定。如果基极电位较先前的电位有所提高,则将会引入一定量的电荷。即使在零照度条件下,这些电荷也会通过转移栅传输于CCD寄存器。这并不是主要问题,因为可以很容易地从输出信号中去除直流信号。但是,转移栅的非一致性将会产生直流偏置,且这一偏置在像素与像素间并不相同,从而使提高了固定图像噪声。固定图像噪声可通过非均匀性校正电路或采用软件方法进行校正。


三、分辨率


分辨率是CCD相机的最为重要的性能参数之一,主要用于衡量相机对物像中明暗细节的分辨能力。相机的分辨率可以通过空间频率或者TV线两种方式来测量。这两种测量不是一回事。如果把一个CCD图像传感器的一半面积遮蔽,以空间频率表示相机的分辨率,其分辨率不变;若以TV线表示相机的分辨率,其分辨率则下降为原来的50%。CCD相机的分辨率受到多种因素的影响,包括光源的光谱、镜头的F数等。同时,还受一定的主观因素的影响。如:在一般情况下,对于什么样的目标图像是“可识别”的,其标准并不一致。如果相机分辨率是关键参数,最好是在实际操作环境下对相机进行测试。空间频率和TV线


四、扫描方式


1、“标准”2:1隔行扫描

这是RS-170“标准相机”的扫描次序。这种由广播电视系统发展起来扫描方式可以相对较低(30Hz)的帧速提供更为清晰的图像。从一帧图像的顶部开始,相机在第一个半帧时间里读所有的奇数线(1.3.5……479)。然后在第二个半帧时间里又从帧顶开始读所有的偶数线(0.2.4…..478)。在一个时间里只变换半帧图像,可以减少图像的闪烁。隔行扫描对于机器视觉可能会产生麻烦。因为相邻的线是在不同时间扫描的,因此任何移动的物体在奇数线和偶数线的位置可能会不同,从而影响了成像质量。


2、连续扫描
在视觉应用中,连续扫描相机正在变得越来越流行。连续扫描相机从一帧图像中的顶部至底部以自然次序(0.1.2….479)进行连续扫描。一些线性连续扫描相机具有附加的电路,可把连续采集的数据转换成2:1的隔行扫描格式的数据,以备RS-170监测器和采集卡处理。


3、异步触发和部分扫描
当CCD相机处于异步触发方式时,相机并不是以固定时钟连续扫描和输出连续信号。而是在收到一个触发信号后,再开始扫描输出新的一帧信号。此功能适用于对生产线上快速运动目标的瞬间图像采集。
部分扫描是指CCD相机所读出的数据小于它的满帧数据。由于读取数据量相对较少,则相应的读取时间要少,从而提高了帧速。此功能对于高速图像采集系统非常重要。例如:一个物体只占一帧图像的上部的1/4,即连续扫描相机只用1/4帧时就能采集这部分图像。采用部分扫描方式,相机在采集完上部的1/4帧图像时,利用异步重置功能重新进行下一帧图像的采集,并仍然只采集原图像的1/4帧,以此反复。从而使相机的有效帧速率提高至原来的4倍。


五、接口


1、Analog
输出模拟信号的摄像机仍然在广泛使用。这个系统有很多优点,简单可*,成本低,可以直接把视频信号接到电视机上显示,对大多数用途性能足够好,型号众多可供选择等等。一般使用1/4、1门、或l/2英寸的彩色或黑白CCD芯片,大多采取PAL或NTSC制式,可输出768×596或640×480像素的图像,这两种制式的速度分别是25帧/秒和30帧/秒,每帧图像有两个场组成,也就是所谓的隔行扫描,并没有多少选择,所使用的CCD芯片像素也是这个范围,信噪比一般在48dB不到60dB之间,镜头接口多是c或CS格式。信号通常使用标准的75 Ω 视频同轴线传输,BNC接头。有逐行扫描的摄像机,但是必须要用相应的图像卡支持才行。对于机器视觉应用,选择这种摄像机时应注意几个问题:1)选择各种参数可以手动设置的摄像头,例如增益、快门速度等。2)选择灵敏度高、信噪比大的摄像头,一般说明书上会标记最低照度为0.1Lux等,越小越好。3)水平清晰度越大越好,例如600线的。4)CCD尺寸大时对后续的成象质量有利,但选择时要考虑到镜头的性能。使用输出模拟信号的摄像头时.可以选择价格低廉的图像卡,一般8bit的数字化率就足够高了,可以提供256灰度级或24bit的彩色图像,对大部分应用绰绰有余。图像处理的速度从而变得很快,降低了后面计算机系统的速度要求。这个图像卡的关键是图像质量要高,因为视频信号的电压幅度是0—1V,如果图像卡的输入部分设计不好,会造成条纹、花彩等各种影响图像质量的结果,对图像的算法处理极为不利;图像卡还要有方便使用的触发输入和控制输出,通过传感器发出的信号触发图像采集,从而控制图像采集的时间和位置,图像处理的结果(例如Pass或Fall)通过输出接口给PLC或其他控制系统,控制机器的动作和运行逻辑,完成整个系统的自动化。输出信号的格式最好是有多种可以选择,因为计算机本身只能输出5V或12V信号,而工业用的PLC和传感器等多使用24V直流,图像卡上有了相应的输出,就不用外加转换电路了。当然,模拟信号的摄像机也有很多的缺点,最重要的就是分辨率不高、帧数不够快以及噪音较大。尽管如此,由于其低廉的成本优势和多品种可以选择,目前市场占有率最大。


2、RS422

RS422是数据信号传输的电气规范。这一标准采用双绞线,以不同的模式对同一信号进行传输,下图为传输数据率与电缆长度的关系。当某一信号为高电平时,另一信号必须为低电平。在RS422规范中,高电平为3V,低电平为0V。为了降低噪声,双绞线必须适用于所有RS422信号。其电缆的阻抗为100Ω,并具有110Ω终端负载。在机器视觉系统中,所有输入相机的RS422信号需具有110Ω终端负载。


3、Camera Link

Camera Link是适用于视觉应用数字相机与图像采集卡间的通信接口。这一接口扩展了Channel Link技术,提供了视觉应用的详细规范。Camera Link就是专为机器视觉的高端应用设计的,其基础是美国National Semiconductor公司的驱动平板显示器的Channel Link技术,在2000年由几家专做图像卡和摄像机的公司联合发布,所以一开始就对接线、数据格式、触发、相机控制、高分辨率和帧频等作了考虑,结果是对于机器视觉的应用提供了很多方便,例如数据的传输率非常高,可达1GBits/s,输出的是数字格式,可以提供高分辨率、高数字化率和各种帧频,信噪比也改善了。而且根据应用的要求不同,提供了基本(Base)、中档(Medium)、全部(Full)等支持格式,可以根据分辨率、速度等自由选择。图像卡和摄像机之间的通讯采用了LVDS(Low Voltage Differential Signaling)格式,速度快而且抗噪较好。图像卡和摄像机之间使用专门的连接线距离最远10米。一般提供的是标准的3米MDR26-pin接线。如果你的应用要求高速度、高分辨率,而且你有足够的资金,那么考虑选Camera Link接口的摄像机和图像卡,重要的是,目前你可以选择的摄像机和图像卡很多。Camera Link接口的缺点是其接口本身的机械尺寸太大(1.55×0.51英寸),尽管半导体集成电路技术可以把成像系统做得很小,但这个接口决定了该类摄像机的尺寸不可能很小。另外,这个协议的传输距离较近,虽然可以使用光线把距离增加到数百米,但成本高昂。如下图所示:标准的Camera Link电缆提供相机控制信号线、串行通信信号线和视频数据线。其中,相机控制信号线为4路LVDS,它们被定义为相机输入和图像采集卡输出;串行通信线为2路LVDS,用于在相机与图像采集卡间进行异步串行通信。


4、LVDS(EIA-644)
LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种低摆幅的差分信号技术,它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以400Mbps的速率传输,其低电压和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。
LVDS接口是一种单工方式。必要时也可使用半双工、多点配置方式,但一般在噪声较小、距离较短的情况下才适用。其点到点连接的差分对由一个驱动器、互连器和接收器组成。低摆幅驱动信号实现了高速操作并减小了功率消耗,差分信号提供了适当噪声边缘和功率消耗大幅减少的低压摆幅。功率的大幅降低允许在单个集成电路上集成多个接口驱动器和接收器。这提高了PCB板的效能,减少了成本。LVDS要求使用一个与媒质相匹配的终端电阻(100±20Ω),该电阻终止了环流信号,应该将它尽可能*近接收器输入端放置。LVDS驱动器能以超过155.5Mbps的速度驱动双绞线对,距离超过10m,下图为LVDS传输数据率与电缆长度的关系。


5、IEEE 1394

IEEE1394接口为Apple公司开发的串行接口标准,又称Firewire接口。IEEE 1394接口能够在计算机与外围设备间提供100、200、400Mbps的传输速率。该接口不要求PC端作为所有接入外设的控制器,不同的外设可以直接在彼此之间传递信息。利用IEEE 1394的拓扑结构,该接口不需要集线器就可连接63台设备,并且可由桥网将独立的子网连接起来,该接口不需要强制用电脑控制这些设备。IEEE 1394b接口规范能够实现800Mbps和1.6Gbps传输速度的高速通信方式,并可实现较长距离数据的传输。无线方式IEEE 1394超高速数据传输技术可以实现400Mbps的无线通信速度。传送距离在无障碍时可达12m,传送电波采用60GHz的微波。


6、Gigabit Ethernet

目前广泛使用的网络连接协议Elheranet,20多年前已经发布了,传输速度可以在10、100、1000Mbits标准选择,而Gigabit Ethernet对于大多数机器视觉用途的带宽要求绰绰有余,特别是用于机器视觉时,带宽全部分配给了摄像机,没有和其他设备共享。使用价格低廉的RJ45接口和网线,可以达到1 00米的传输距离。考虑到机器视觉的要求,这个标准协议似乎满足所有的方面,有足够的速度和传输距离,有标准的硬件软件支持。它使用的接线价格之低,其他标准难以望其项背。而且省去了一个专用的图像卡。总的来讲,使用成本可能是最低的。随着各摄像机生产厂家对此的支持,Gigabit Ethernet接口可以实现象USB和FireWire同样的即插即用功能,而且可以实现数据的连续高速传输,不象USB和FireWire那样牺牲了CPU处理图像的速度。