三分鐘教你快速選擇機器視覺(jué)傳感器

　　目前，如何選擇機器視覺(jué)傳感器在當代的應用可謂是越來(lái)越廣泛，如何選擇機器視覺(jué)傳感器是值得我們好好學(xué)習的，現在我們就深入了解如何選擇機器視覺(jué)傳感器。

　　相機是機器視覺(jué)系統的眼睛，而相機的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺(jué)系統的成本以及對應用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開(kāi)發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

　　大多數的機器視覺(jué)系統的用戶(hù)認識到相機是系統的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當作視覺(jué)系統的“芯片”。相機本身是一個(gè)復雜的系統：包括鏡頭、信號處理器、通訊接口，以及最核心的部分——把光子轉換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來(lái)支持相機的功能，傳感器最終決定相機的最高性能。

　　業(yè)內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)勢和不足之處，所加工的傳感器有著(zhù)不同的性能。最終用戶(hù)關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來(lái)的，而是其在最終應用中的表現。

　　在指定的應用中，三個(gè)關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應度。動(dòng)態(tài)范圍決定系統能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱(chēng)作對細節的體現能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少張圖像和系統能夠接收到的圖像的輸出量。響應度指的是傳感器將光子轉換為電子的效率，它決定系統需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設計共同決定上述特征，因此系統開(kāi)發(fā)人員在選擇傳感器時(shí)必須有自己的衡量標準，詳細的研究這些特征，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，這是因為機器視覺(jué)系統是數字的。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）；其次是傳感器能夠數字化像素信號的電平的數量，用位數表示。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。當光子撞擊圖像傳感器的活動(dòng)像素區域時(shí)產(chǎn)生電子，傳感器將其捕獲并存儲起來(lái)以備系統讀取。撞擊活動(dòng)區域的光子數越多，產(chǎn)生的電子數就越多，在讀取的間隔中，該過(guò)程持續的時(shí)間越長(cháng)，被存儲的電子就越多。決定傳感器曝光動(dòng)態(tài)范圍的參數之一就是填充存儲阱的曝光。制造傳感器的半導體加工工藝和電路設計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(méi)有任何光子撞擊活動(dòng)的像素區域，圖像傳感器也將以熱量發(fā)射的形式產(chǎn)生電子。要產(chǎn)生可識別的信號，必須有足夠的光子撞擊活動(dòng)的像素區域，以便在存儲阱中有比暗電流噪音所產(chǎn)生的電子數更多的電子。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。只有在超過(guò)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計所決定的功能，而數字動(dòng)態(tài)范圍只是由電路設計所決定的功能。圖像傳感器的數字動(dòng)態(tài)范圍只是說(shuō)明它能夠提供給視覺(jué)系統的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個(gè)灰度級，10位的有1024個(gè)，以此類(lèi)推。表示動(dòng)態(tài)范圍的位數并不是反映傳感器能夠響應的最高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對應的。

　　比暗電流噪音水平小的等量的信號度不能產(chǎn)生有用的信息，類(lèi)似地，如果數字化值大于傳感器的最大信號值，也不會(huì )產(chǎn)生額外的信息。在實(shí)踐中，傳感器需要設計成等量信號度與暗電流噪音水平等值，并有足夠信號步進(jìn)度達到飽和的曝光信號水平。按此方式設計，傳感器的數字動(dòng)態(tài)范圍與其曝光動(dòng)態(tài)范圍說(shuō)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器視覺(jué)系統所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，位數越高，系統能夠分辨的圖像的細節就越細微。對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(lái)越昂貴。然而，不是所有的應用都需要精細的圖像。因此，設計師們設計了不同動(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，醫療和空中偵察就需要14位的動(dòng)態(tài)范圍。

　　應用需求還對傳感器的第二項特征速度提出了要求

　　速度是比動(dòng)態(tài)范圍更直觀(guān)的特征，它只是衡量傳感器采集和傳送圖像到系統的速度有多快。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數據到系統所需要的時(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。幀頻永遠都不會(huì )比曝光時(shí)間快，因此幀頻是用來(lái)說(shuō)明傳感器性能的通用量值。

　　在加工檢查類(lèi)的應用中，傳感器的速度決定系統的輸出。如果每一幅圖像代表待檢的一個(gè)零件，那么系統每秒能夠檢查的零件數量不會(huì )高于傳感器每秒能夠發(fā)送的幀數。當成像的物體處于運動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為防止出現圖像模糊，必須要求高的采集速度。因此對于高輸出量的檢測系統和對高速運動(dòng)物體的成像應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每一個(gè)像素的數據進(jìn)行數字化。這就意味著(zhù)模擬到數字轉換器需要快速地形成一個(gè)穩定的輸出。

　　從物理層面和設計角度上講，速度應該讓步于動(dòng)態(tài)范圍。電路運行的速度越快，產(chǎn)生的熱量就越多。傳感器的暗電流噪音隨著(zhù)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特征響應度也是相關(guān)聯(lián)的

　　應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，設計師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應度的傳感器。

　　響應度是指在給定的曝光條件下，所產(chǎn)生的信號的強度（V）。在圖像傳感器中，有三個(gè)因素控制響應度：第一是量子的效率，或者說(shuō)是每個(gè)光子所產(chǎn)生的電子的數量。第二個(gè)要素是存儲電荷（q）的傳感器輸出電路的電容（C）的大小，電荷的信號電壓公式是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行時(shí)，增益本身并不能提高傳感器的響應度。

　　開(kāi)發(fā)人員在為他們的機器視覺(jué)系統選購傳感器時(shí)，必須在動(dòng)態(tài)范圍，速度和響應度這三個(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，對成像細節的高要求也需要提高光照強度以彌補較低的響應度。傳感器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項關(guān)鍵要素之間做出平衡。

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

　　分辨率是指由多少個(gè)像素構成一幅圖像，它是反映傳感器尺寸和像素間距的量值。應用所需要的傳感器的分辨率決定于幾項相關(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所要求的采集空間細節所需的像素的數量等。傳感器的分辨率越高，其時(shí)鐘必須運行得越快，以獲得需要的幀頻。因此，傳感器的分辨率對速度有非常大的影響。

　　像素間距定義單個(gè)像素區域的大小，與傳感器的大小共同作用來(lái)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度，但是間距越小，每個(gè)像素能夠采集光子的活動(dòng)區域就越小。

　　最終，所有這些傳感器的要素都要與相機的其它部件相互影響。相機鏡頭的分辨率是通過(guò)調制解調函數（MTF）來(lái)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，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(xiàn)模式只能形成灰色的圖像。因此，在選購傳感器時(shí)必須采購與之匹配的其它系統部件。

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