三分鐘教你快速選擇機(jī)器視覺傳感器

　　目前，如何選擇機(jī)器視覺傳感器在當(dāng)代的應(yīng)用可謂是越來越廣泛，如何選擇機(jī)器視覺傳感器是值得我們好好學(xué)習(xí)的，現(xiàn)在我們就深入了解如何選擇機(jī)器視覺傳感器。

　　相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的眼睛，而相機(jī)的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準(zhǔn)確性、輸出、靈敏度、機(jī)器視覺系統(tǒng)的成本以及對(duì)應(yīng)用要求的充分理解。對(duì)傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

　　大多數(shù)的機(jī)器視覺系統(tǒng)的用戶認(rèn)識(shí)到相機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當(dāng)作視覺系統(tǒng)的“芯片”。相機(jī)本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)：包括鏡頭、信號(hào)處理器、通訊接口，以及最核心的部分——把光子轉(zhuǎn)換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來支持相機(jī)的功能，傳感器最終決定相機(jī)的最高性能。

　　業(yè)內(nèi)的許多討論都集中在加工技術(shù)上，以及CMOS和CCD傳感器孰優(yōu)孰劣。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足之處，所加工的傳感器有著不同的性能。最終用戶關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來的，而是其在最終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

　　在指定的應(yīng)用中，三個(gè)關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度。動(dòng)態(tài)范圍決定系統(tǒng)能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱作對(duì)細(xì)節(jié)的體現(xiàn)能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少?gòu)垐D像和系統(tǒng)能夠接收到的圖像的輸出量。響應(yīng)度指的是傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率，它決定系統(tǒng)需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設(shè)計(jì)共同決定上述特征，因此系統(tǒng)開發(fā)人員在選擇傳感器時(shí)必須有自己的衡量標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)的研究這些特征，將有助于做出正確的判斷。

　　正確理解動(dòng)態(tài)范圍

　　傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是最容易使人疑惑和誤解的地方，這是因?yàn)闄C(jī)器視覺系統(tǒng)是數(shù)字的。圖像的動(dòng)態(tài)范圍包括兩部分：一是傳感器能夠工作的曝光范圍（亮度的倍數(shù)）；其次是傳感器能夠數(shù)字化像素信號(hào)的電平的數(shù)量，用位數(shù)表示。這兩部分通常是緊密相關(guān)的。

　　曝光的動(dòng)態(tài)范圍表示傳感器能夠正常工作的亮度水平。當(dāng)光子撞擊圖像傳感器的活動(dòng)像素區(qū)域時(shí)產(chǎn)生電子，傳感器將其捕獲并存儲(chǔ)起來以備系統(tǒng)讀取。撞擊活動(dòng)區(qū)域的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的電子數(shù)就越多，在讀取的間隔中，該過程持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，被存儲(chǔ)的電子就越多。決定傳感器曝光動(dòng)態(tài)范圍的參數(shù)之一就是填充存儲(chǔ)阱的曝光。制造傳感器的半導(dǎo)體加工工藝和電路設(shè)計(jì)共同決定阱的容量或深度。

　　電子噪音是傳感器能夠工作的最低曝光水平，盡管沒有任何光子撞擊活動(dòng)的像素區(qū)域，圖像傳感器也將以熱量發(fā)射的形式產(chǎn)生電子。要產(chǎn)生可識(shí)別的信號(hào)，必須有足夠的光子撞擊活動(dòng)的像素區(qū)域，以便在存儲(chǔ)阱中有比暗電流噪音所產(chǎn)生的電子數(shù)更多的電子。傳感器的最低曝光率是產(chǎn)生至少與噪音電子同樣多的光電子數(shù)。只有在超過噪音等量的曝光水平時(shí)，傳感器才能產(chǎn)生有用的信息。

　　傳感器的曝光動(dòng)態(tài)范圍是由其物理和電路設(shè)計(jì)所決定的功能，而數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍只是由電路設(shè)計(jì)所決定的功能。圖像傳感器的數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍只是說明它能夠提供給視覺系統(tǒng)的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個(gè)灰度級(jí)，10位的有1024個(gè)，以此類推。表示動(dòng)態(tài)范圍的位數(shù)并不是反映傳感器能夠響應(yīng)的最高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對(duì)應(yīng)的。

　　比暗電流噪音水平小的等量的信號(hào)度不能產(chǎn)生有用的信息，類似地，如果數(shù)字化值大于傳感器的最大信號(hào)值，也不會(huì)產(chǎn)生額外的信息。在實(shí)踐中，傳感器需要設(shè)計(jì)成等量信號(hào)度與暗電流噪音水平等值，并有足夠信號(hào)步進(jìn)度達(dá)到飽和的曝光信號(hào)水平。按此方式設(shè)計(jì)，傳感器的數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍與其曝光動(dòng)態(tài)范圍說明的是同一事物：飽和等量曝光與噪音等量曝光的比率。

　　交互作用決定取舍

　　傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一定程度上決定機(jī)器視覺系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，位數(shù)越高，系統(tǒng)能夠分辨的圖像的細(xì)節(jié)就越細(xì)微。對(duì)更低的暗電流噪音和高精度的需求的日益提高，使傳感器的成本變得越來越昂貴。然而，不是所有的應(yīng)用都需要精細(xì)的圖像。因此，設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)了不同動(dòng)態(tài)范圍的傳感器供選擇。例如，郵包分揀或電子生產(chǎn)檢查，8位的動(dòng)態(tài)范圍就可以有效地工作。但是，醫(yī)療和空中偵察就需要14位的動(dòng)態(tài)范圍。

　　應(yīng)用需求還對(duì)傳感器的第二項(xiàng)特征速度提出了要求

　　速度是比動(dòng)態(tài)范圍更直觀的特征，它只是衡量傳感器采集和傳送圖像到系統(tǒng)的速度有多快。傳感器的速度也包括兩個(gè)方面：一個(gè)是幀頻，也就是傳感器傳送像素?cái)?shù)據(jù)到系統(tǒng)所需要的時(shí)間。另外就是傳感器為了采集一幅有用的圖像所需的曝光時(shí)間。幀頻永遠(yuǎn)都不會(huì)比曝光時(shí)間快，因此幀頻是用來說明傳感器性能的通用量值。

　　在加工檢查類的應(yīng)用中，傳感器的速度決定系統(tǒng)的輸出。如果每一幅圖像代表待檢的一個(gè)零件，那么系統(tǒng)每秒能夠檢查的零件數(shù)量不會(huì)高于傳感器每秒能夠發(fā)送的幀數(shù)。當(dāng)成像的物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為防止出現(xiàn)圖像模糊，必須要求高的采集速度。因此對(duì)于高輸出量的檢測(cè)系統(tǒng)和對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的成像應(yīng)用需要高速的傳感器。

　　速度和動(dòng)態(tài)范圍是相互關(guān)聯(lián)的，為了快速地傳送圖像，傳感器必須快速地對(duì)每一個(gè)像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。這就意味著模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器需要快速地形成一個(gè)穩(wěn)定的輸出。

　　從物理層面和設(shè)計(jì)角度上講，速度應(yīng)該讓步于動(dòng)態(tài)范圍。電路運(yùn)行的速度越快，產(chǎn)生的熱量就越多。傳感器的暗電流噪音隨著溫度的增加而增加，因此傳感器的速度越高，其噪音就越大，動(dòng)態(tài)范圍就越低。高速的傳感器比低速的傳感器的噪音更大，而且能提供的動(dòng)態(tài)范圍更低。

　　傳感器的速度與其第三項(xiàng)特征響應(yīng)度也是相關(guān)聯(lián)的

　　應(yīng)用中所需的幀頻越高，用于曝光的時(shí)間就越少。為了減少曝光時(shí)間，設(shè)計(jì)師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應(yīng)度的傳感器。

　　響應(yīng)度是指在給定的曝光條件下，所產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度（V）。在圖像傳感器中，有三個(gè)因素控制響應(yīng)度：第一是量子的效率，或者說是每個(gè)光子所產(chǎn)生的電子的數(shù)量。第二個(gè)要素是存儲(chǔ)電荷（q）的傳感器輸出電路的電容（C）的大小，電荷的信號(hào)電壓公式是V=q/C。第三個(gè)要素是傳感器的輸出放大器增益。如果傳感器在與噪音等量的曝光水平下運(yùn)行時(shí)，增益本身并不能提高傳感器的響應(yīng)度。

　　開發(fā)人員在為他們的機(jī)器視覺系統(tǒng)選購(gòu)傳感器時(shí)，必須在動(dòng)態(tài)范圍，速度和響應(yīng)度這三個(gè)關(guān)鍵要素之間做出取舍。高速度和低光照度將導(dǎo)致噪音增加并降低動(dòng)態(tài)范圍。在動(dòng)態(tài)范圍允許的情況下，對(duì)成像細(xì)節(jié)的高要求也需要提高光照強(qiáng)度以彌補(bǔ)較低的響應(yīng)度。傳感器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項(xiàng)關(guān)鍵要素之間做出平衡。

　　以上提到的三項(xiàng)關(guān)鍵要素并不是構(gòu)成傳感器選擇的唯一考量，另外還有兩項(xiàng)重要的因素：傳感器的分辨率和像素間距，其中任何一項(xiàng)都能夠影響圖像的質(zhì)量，并且與上述三項(xiàng)關(guān)鍵要素相互作用。

　　分辨率是指由多少個(gè)像素構(gòu)成一幅圖像，它是反映傳感器尺寸和像素間距的量值。應(yīng)用所需要的傳感器的分辨率決定于幾項(xiàng)相關(guān)的要素：包括視野、工作距離、傳感器大小和像素間距以及系統(tǒng)所要求的采集空間細(xì)節(jié)所需的像素的數(shù)量等。傳感器的分辨率越高，其時(shí)鐘必須運(yùn)行得越快，以獲得需要的幀頻。因此，傳感器的分辨率對(duì)速度有非常大的影響。

　　像素間距定義單個(gè)像素區(qū)域的大小，與傳感器的大小共同作用來決定傳感器的分辨率。由于傳感器通常只有有限的大小可選，所以像素的間距越小，其分辨率就越高。像素間距能夠影響響應(yīng)度，但是間距越小，每個(gè)像素能夠采集光子的活動(dòng)區(qū)域就越小。

　　最終，所有這些傳感器的要素都要與相機(jī)的其它部件相互影響。相機(jī)鏡頭的分辨率是通過調(diào)制解調(diào)函數(shù)（MTF）來衡量的，例如，鏡頭的分辨率必須與傳感器的像素間距相匹配，才能獲得理想的成像質(zhì)量。在傳感器分辨率允許的范圍內(nèi)，一個(gè)5微米MTF的鏡頭在3微米的像素間距的傳感器上所成的黑白線模式只能形成灰色的圖像。因此，在選購(gòu)傳感器時(shí)必須采購(gòu)與之匹配的其它系統(tǒng)部件。

　　最重要的一點(diǎn)是要充分理解應(yīng)用對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度的需求。需求決定哪些性能是在可接受的范圍之內(nèi)，最終決定系統(tǒng)的其它部件的要求。