CCD視覺基礎知識要點

1. 圖像系統方案

光源選型模擬方案（針對物體速度比較慢）

組成：模擬相機，鏡頭，圖像（視頻）采集卡，光源和圖像處理軟件，數字方案（針對物體速度比較快）

組成：數字相機，鏡頭，圖像轉接卡，光源和圖像處理軟件

 對特定的檢測目標首先要確認目標物的性質：視野、物距、精度、運動方式（靜止或者運動）、物體形狀（考慮圓柱形物體用線陣攝像頭）

感光芯片類型:

A. COMS(互補金屬氧化物半導體）

B. CCD(電荷耦合器件)

芯片主要參數：

A.分辨率和像元尺寸

 640*480;1024*768;1280*960

1英寸 ——靶面尺寸為寬12.7mm×高9.6mm，對角線16mm
2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm×高6.6mm，對角線11mm
1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm×高4.8mm，對角線8mm
1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm×高3.6mm，對角線6mm
1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm×高2.4mm，對角線4mm

B.幀率(fps) 常見CCD幀率 15fps;30fps;60fps

C.顏色   灰度和彩色（Bayer和3CCD）

D.快門速度 1/10000s,1/50000s 快門方式：全局和卷簾

A. GLOBAL SHUTTER exposes the entire imager simultaneously. The entire frame is exposed and begins gathering light; when the predetermined “shutter speed” has elapsed, the sensor stops gathering light and turns its current exposure into an electronic image. There is no physical “shutter” that covers and uncovers the sensor; it’s all done with timing. At the start of exposure the entire sensor starts gathering light; at the end of exposure the light-gathering circuitry is turned off and the contents of the sensor are then “read out” to become an image.

 A. ROLLING SHUTTER is very different. The rolling shutter actually exposes different portions of the frame at different points in time, “rolling” through the frame. Again, it’s not an actual physical moving shutter that’s doing this (as opposed to a movie camera, which actually has a moving physical shutter). Instead, the sensor is telling different portions to become light-sensitive at different moments in time, and as this process proceeds down the course of the full frame, until the entire frame is exposed.

http://dvxuser.com/jason/CMOS-CCD/

快門速度計算：

假設速度是0.5m/s,640*480的分辨率，視場為 4*3mm，3mm/480=0.006mm,因此像素當量為0.006mm

當物體在快門時間內的運動大于1.5個像素時我們就可以認為會出現拖影，因此要不出現拖影則：t(快門)=0.006*1.5/0.5=0.00018s

E.像元尺寸    

像元尺寸=CCD寬/水平方向分辨率（或者 CCD高/垂直方向分辨率）

像元尺寸越大，感光效果越好

數字接口類型

USB     ： 120Mbps~480Mbps

1394a  ：   400Mbps

1394b  ：   800Mbps

GigE    ： 1000Mbps

CameraLink： （75MHz）

base          1.8Gbps

mediu        3.6Gbps

full             4.8Gbps  

2. 鏡頭選型

焦距f    

f =工作距離* CCD高（寬） (物體高（寬）+CCD高（寬）)

舉例：物體大小80*80mm，工作距離200~300mm，采用1/2”CCD（寬6.4mm，高4.8mm ）

則 F=WD*4.8/(80+4.8)=11.3~16.9mm，故選擇 12mm鏡頭

光圈/相對孔徑

A 概念：

a.相對孔徑：孔徑與焦距的比值（D/f）

b.光       圈：相對孔徑的倒數。F = 1/(D/f)

B 分類：

a.手動

b.自動

分辨率（線對）

概念：在單位毫米內能夠分辨開的黑白相間條紋數

分別率為1/2d, 其中d為線寬，分辨率的單位為lp/mm(線對/毫米) 

例如一個CCD的像元尺寸大小為5um x 5um,則像元的分辨率為：

N=1/(2X0.005)=100(lp/mm)

在選擇鏡頭時通常要求鏡頭的分辨率要略高于這個值。

景深公式為： 

前景深 ΔL1=FδL2／f2+FδL

后景深 ΔL2= FδL2／f2-FδL

景深ΔL=ΔL1+ΔL2=2f2FδL2／f4 - F2δ2L2

由景深計算公式可以看出，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質的要求(表現為對容許彌散圓的大小)有關。

彌散圓的定義：

在焦點前后，光線開始聚集和擴散，點的影象變成模糊的，形成一個擴大的圓，這個圓就叫做彌散圓。

允許的最小彌散圓越大，景深越淺，推廣到畫幅上，就是在其它條件不變的情況下，畫幅越大，景深越淺，畫幅越小，景深越大。

允許彌散圓直徑=感光元件對角線長度*1/1730。

相機與鏡頭之間的關系

舉例:

客戶現有一臺?”相機（解析度752*582，像元大小為8.6um*8.3um）和一個鏡頭（鏡頭的分辨率為80lp/mm），由于相機停產，客戶為節約成本，只想換相機而不換鏡頭，問該客戶若換成?”相機（解析度640*480，像元大小 5um* 5um ）是否能滿足要求？

客戶原有?”相機所需鏡頭的分辨率（1/2d）=1/2*8.6*10-3=58lp/mm換成?”相機后所需鏡頭的分辨率（1/2d） =1/2*5*10-3=100lp/mm根據選鏡頭時鏡頭的分辨率要大于計算出來的分辨率可知只換相機而只換鏡頭是達不到要求的。

成像質量對比：

1） VGA分辨率鏡頭所拍攝圖像：

2） 百萬像素分辨率鏡頭所拍攝圖像：

3. 光源選型

條形光源

環形光源

背光源

點光源

同軸光源