機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中常用攝像機(jī)的分類
一、根據(jù)不同感光芯片劃分
我們知道感光芯片是攝像機(jī)的核心部件，目前攝像機(jī)常用的感光芯片有CCD和CMOS兩種：
1.CCD攝像機(jī)，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來(lái)的電子有組織地儲(chǔ)存起來(lái)的方法。
2.CMOS攝像機(jī)，CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒(méi)有更多的含義。
盡管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，但是不論CCD或者CMOS對(duì)于圖像感應(yīng)都沒(méi)有用，真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”，CCD和CMOS傳感器實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”，圖像半導(dǎo)體是一個(gè)P N結(jié)合半導(dǎo)體，能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號(hào)的電壓，光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多，電子產(chǎn)生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。
因?yàn)槿搜勰芸吹?Lux照度(滿月的夜晚)以下的目標(biāo)，CCD傳感器通常能看到的照度范圍在0.1~3Lux，是CMOS傳感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD攝像機(jī)的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS攝像機(jī)。
CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點(diǎn)。CMOS攝像機(jī)存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問(wèn)題，1989年后出現(xiàn)了“有源像敏單元”結(jié)構(gòu)，不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開(kāi)關(guān)，而且還有信號(hào)放大和處理等電路，提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使得一些參數(shù)與CCD攝像機(jī)相近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格方面要優(yōu)于CCD，逐步得到廣泛的應(yīng)用。CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，因此非常適用于特殊應(yīng)用。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過(guò)程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，因此就非?？?，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用，高幀速度能達(dá)到400到100000幀/秒。
二、按輸出圖像信號(hào)格式劃分
模擬攝像機(jī)
模擬攝像機(jī)所輸出的信號(hào)形式為標(biāo)準(zhǔn)的模擬量視頻信號(hào)，需要配專用的圖像采集卡才能轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信息。模擬攝像機(jī)一般用于電視攝像和監(jiān)控領(lǐng)域，具有通用性好、成本低的特點(diǎn)，但一般分辨率較低、采集速度慢，而且在圖像傳輸中容易受到噪聲干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，所以只能用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。常用的攝像機(jī)輸出信號(hào)格式有：
PAL(黑白為CCIR)，中國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)，625行，50場(chǎng)
NTSC(黑白為EIA)，日本電視標(biāo)準(zhǔn)，525行，60場(chǎng)
SECAM
S-VIDEO
分量傳輸
數(shù)字?jǐn)z像機(jī)
數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是在內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接將模擬量的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，不僅有效避免了圖像傳輸線路中的干擾問(wèn)題，而且由于擺脫了標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)格式的制約，對(duì)外的信號(hào)輸出使用更加高速和靈活的數(shù)字信號(hào)傳輸協(xié)議，可以做成各種分辨率的形式，出現(xiàn)了目前數(shù)字?jǐn)z像機(jī)百花齊放的形勢(shì)。常見(jiàn)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)圖像輸出標(biāo)準(zhǔn)有：
IEEE1394
USB2.0
DCOM3
RS-644 LVDS
Channel Link LVDS
Camera Link LVDS
千兆網(wǎng)
按像元排列方式劃分
面陣攝像機(jī)
面陣攝像機(jī)是我們常見(jiàn)的形式，其像元是按行列整齊排列的，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)圖像上的一個(gè)像素點(diǎn)，我們一般所說(shuō)的分辨率就是指像元的個(gè)數(shù)。需要指出的是我們計(jì)算機(jī)中的彩色圖像一般是每個(gè)像素點(diǎn)由R、G、B三個(gè)值來(lái)表示，但我們一般的彩色攝像機(jī)卻并不是這樣的，下面分別進(jìn)行介紹：
黑白攝像機(jī)，每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)像元，該像元對(duì)于各種波長(zhǎng)的光具有較一致的敏感度，采集得到的只是每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值。
采用BAYER轉(zhuǎn)化的單片彩色攝像機(jī)，這種攝像機(jī)的每個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際只對(duì)應(yīng)R、G、B三種之一的像元，R、G、B三種像元按一定的規(guī)律排列，我們實(shí)際所得到的每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B三原色的數(shù)值是根據(jù)該像素點(diǎn)及其周圍若干點(diǎn)的三色數(shù)值進(jìn)行BAYER插分計(jì)算而來(lái)的，所以這種攝像機(jī)所得到的圖像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是對(duì)應(yīng)邊緣位置會(huì)有較明顯的色彩失真和細(xì)節(jié)的丟失。目前我們常見(jiàn)的彩色攝像機(jī)一般是這種形式的，其價(jià)格和同檔次的黑白攝像機(jī)相近。
BAYER彩色攝像機(jī)原理圖
3CCD彩色攝像機(jī)，這種攝像機(jī)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)有R、G、B三個(gè)感光元件，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值(見(jiàn)下圖)。這種攝像機(jī)得到的圖像質(zhì)量好，沒(méi)有細(xì)節(jié)丟失的問(wèn)題，但由于攝像機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機(jī)采用了分光棱鏡的方式，光線到達(dá)每個(gè)CCD靶面的光程是不一樣的，所以需要鏡頭做針對(duì)性的設(shè)計(jì)才能達(dá)到比較好的圖像效果，所以使用3CCD的攝像機(jī)還需要配備專用的鏡頭。
3CCD彩色攝像機(jī)原理圖
線陣攝像機(jī)
線陣攝像機(jī)是一種比較特殊的形式，其像元是一維線狀排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的圖像數(shù)據(jù)，只有當(dāng)攝像機(jī)與被攝物體在縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能得到我們平常看到的二維圖像。所以在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中一般用于被測(cè)物連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，尤其適合于運(yùn)動(dòng)速度較快、分辨率要求較高的情況。
黑白攝像機(jī)，也是最常用的線陣攝像機(jī)，每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)像元，采集得到的是灰度圖像。
3Line彩色攝像機(jī)，該攝像機(jī)的具有R、G、B三行像元，分別對(duì)紅、綠、蘭三種波長(zhǎng)的光敏感，所以每個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)R、G、B三個(gè)通道的數(shù)值，形成彩色的圖像數(shù)據(jù)。需要注意的是，由于R、G、B三行像元在同一時(shí)刻所采集的并非同一位置的信息(見(jiàn)圖)，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正才能得到所需的彩色圖像。一般的攝像機(jī)都提供內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正處理的功能，但對(duì)于對(duì)比度非常高的圖像邊緣還是容易出現(xiàn)色彩失真的現(xiàn)象。
3CCD彩色攝像機(jī)，與面陣的3CCD攝像機(jī)原理相同，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值。圖像質(zhì)量好，但需配備專用鏡頭。