机器视觉系统之相机篇

—工业数字相机篇机器视觉系统主讲人：张勇中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司工业摄像机分类按输出图像信号格式划分模拟摄像机PAL（黑白为CCIR）NTSC（黑白为EIA）数字摄像机IEEE1394USB2.0CameraLinkGigE工业摄像机分类按像素排列方式划分面阵摄像机黑白摄像机Bayer彩色相机3CCD彩色相机（分光棱镜）线阵摄像机黑白摄像机3Line彩色摄像机3CCD彩色摄像机（分光棱镜）工业摄像机靶面尺寸和分辨率靶面尺寸1’2/3’1/1.8’1/2’1/3’1/4’宽x高(mm)12.8x9.68.8x6.67.18x5.326.4x4.84.8x3.63.6x2.7VGASVGAXGASXGAUXGA分辨率659x494782x5821034x7791392x10401628x1236工业摄像机芯片分类按芯片类型划分：•CCD摄像机•CMOS摄像机CCDSensor—全帧转移Output(Amplifier)Serialreadoutregister优点：填充因子(fillfactor)可以达到非常高，甚至达到100%。这样Sensor灵敏度非常大。缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分曝光时间比下面的长，这会造成Smear现象。为了解决这个问题，必须使用机械快门或闪光灯。CCDSensor—帧传输优点：在曝光时间较长的情况下，Smear现象比FullFrameArraySensor小很多缺点：由于需要两个Sensor，因此成本非常高LightsensitiveCCD-sensorShieldedmemoryareaReadoutregister...............................CCDSensor—行转移转移时间约为1us，因此完全不存在Smear现象。优点：由于转移时间非常短，因此不需要使用机械快门或闪光灯缺点：由于屏蔽区占用了Sensor的部分面积，因此使得此种传感器填充因子只能在20%~70%添加微镜头可以增加填充因子HorizontalshiftregistersverticalshiftregisterShielded(Photodiodes)SensorelementsOutput(Amplifier)电子快门和微透镜OverflowDrain主要用来消除CCDSensor的Blooming现象，它也被用来实现电子快门通过MicroLenses可以将传感器的填充因子提高。CMOSSensorCCDvsCMOSCCDCMOS优1.图像质量高2.灵敏度高3.对比度高1.体积小2.片上数字化3.很多片上处理功能4.低功耗5.没有Blooming现象6.直接访问单个像素7.高动态范围（120dB）8.帧率可以更高劣1.Blooming2.不能直接访问每个像素3.没有片上处理功能1.一致性较差2.光灵敏度差3.噪声大隔行扫描和逐行扫描隔行扫描逐行扫描行曝光和帧曝光行曝光帧曝光彩色摄像机－Bayer彩色相机彩色摄像机－3Lines相机彩色摄像机－3CCD相机工业数字摄像机主要接口类型Usb2.0IEEE1394CameraLinkGigEUSB接口标准发布日期传输速率应用Usb1.01996年1.5MbpsNOUsb1.11998年12MbpsUsb鼠标、键盘、家用扫描仪、一些网络摄像机等Usb2.0High-speed2000年480Mbps80％的带宽用于图像传输，约38MBUsb3.0Super-peed2008.084.8GbpsNOUSB接口特点USB2.0带宽：480Mbit/s支持热插拔使用便捷相机可通过USB线缆供电USB总线传输方式等时(isochronous)传输方式。提供了确定的带宽和间隔时间，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据；中断(interrupt)传输方式。传输数据量小，以达到实时效果；控制(control)传输方式。双向传输，数据量也比较小；批(bulk)传输方式。该方式用来传输要求正确无误的数据；在这4种数据传输方式中，除等时传输方式外，其他3种方式在数据传输发生错误时，都会试图重新发送数据以保证其准确性。USB传输距离USB2.0，单根5m，加中继可达30mUSB接口的局限性没有标准协议主从(Master-salve)结构，CPU占用率高带宽没有保证USB线IEEE1394－FireWire接口标准发布日期传输速率特点及应用1394aIEEE1394-1995IEEE1394-2000400Mbps主要应用于视频传输领域；传输距离4.5m，单根线缆最长可达到17.5m，加中继可达70m，光纤传输则可达100m有标准DCAM协议,CPU占用低1394bIEEE1394-2002800Mbps1394cIEEE1394-2006IEEE1394-2008800Mbps3.2Gbps带宽：400Mbit/s（1394a），800Mbit/s（1394b）支持热插拔点对点的通讯方式支持DMA，不占CPU有保证的带宽，确保万无一失的数据传输可通过1394总线供电IEEE1394特点IEEE1394总线特征1394总线的“心跳”周期是125µs(8kHz)；包长：1394总线每125µs发送的同步数据包尺寸。IEEE1394总线特征IEEE1394总线特征IEEE1394传输距离1394a，单根4.5m(S400)，加中继可达70m。高质量的线缆可达17.5m(S400)(AVT)，如果调整到S100或S200，则传输距离可达25m，甚至更长；1394b,单根10m(S800)；转网络传输，用Cat5线可达到100m(S100)，使用Cat6线，在S400情况下可达60m；转光纤传输，可达500m(S400/S800)；直接光纤传输100m(S800)(AVTPike和Stingray系列)DCAM/IIDC规范规范定义了未经压缩的视频数据在1394总线中的传输方式。在摄像机寄存器层定义了大量的地址。定义了多种固定的视频格式和外部信号的动作。允许摄像机生产商自行定义摄像机的“高级特性”1394线缆CameraLink是由AIA协会推出的数字图像信号通讯接口协议，是一种串行通讯协议；采用LVDS接口标准，该标准速度快、抗干扰能力强、功耗低；是在NSM（NationalSemiconductor美国国家半导体制造商）的接口协议ChannelLink基础上发展而来的；协议使用MDR-26针连接器。ChannelLinkCameralink使用28位ChannelLink芯片；4个数据流、1个时钟信号，通过5组LVDS线对传输；传输24位图像数据和４位同步视频信号，包括：FrameValid、LineValid、DataValid、Spare。ChannelLinkCameraLink架构BaseConfigurationMediumConfigurationFullConfigurationBaseConfiguration数据量2.04Gbit/s(255MB/s)ChannelLink芯片数:1；线缆数量：15个LVDS线对传输串行视频数据（24bits数据及４位视频同步信号，分别是：FVAL(帧有效)、LVAL（行有效）、DVAL（数据有效）、Spare（保留））一组同步信号传送4个LVDS线对控制信号（cc1～cc4）2个LVDS线对串口信号与相机通讯CameraLink架构CameraLink架构MediumConfiguration数据量4.08Gbit/s(510MB/s)ChannelLink芯片数：2；线缆数量：2在Base的基础上提供了额外的24bits数据通道，用于传递图像数据，达到48bitsCameraLink架构FullConfiguration数据量5.44Gbit/s(680MB/s)ChannelLink芯片数：3；线缆数量：2在Medium基础上提供额外的16bit数据带宽，达到64bitsCameraLink架构CameraLink线缆连接简单线缆紧凑简单（用5个线对可传28bits数据）高带宽Base:250MB/s;Medium:510MB/s;Full:680MB/sCameraLink优点GigEVision由AIA（AutomatedImagingAssociation）创建并推广适于工业成像应用，通过网络传输无压缩视频信号第一个使用价格低廉线缆长距离传输图像的标准即使是不同厂家的硬件和软件，只要符合GigEVision标准，也可以实现无缝的千兆网连接GigEVision的特点高带宽（1000Mbps)，有效带宽100MB/s单根网线传输100米的距离标准的GigabitEthernet硬件允许单个/多个相机连接到一台/多台电脑价格低廉的线缆（CAT5e或者CAT6e）和标准的连接器，可以很容易进行集成，而且集成费用很低具备较高的可升级性，可适应网络带宽的增长。由于10GigE变成主流，GigEVision将会成为工业中最快的连接；GigEVisionStandardforMachineVision!FilterdriverWindowsStandardGigETCP/IPUDP连接面向连接非面向连接对系统资源的要求较多少传输模式流模式数据报模式数据的正确性保证数据的正确性UDP可能丢包数据顺序保证数据顺序UDP不保证GigEVision是基于UDP协议的GigEVisionGigEVisionCamPC12345GigEVisionCamPC123456GigEVisionGigEVisionScrewlockislocatedinthebothsideofRJ-45Connector.ForMachinevision.StandardCAT5orCAT6cablecanbeconnected.数字相机常用接口比较CameraLinkUsb2.01394a1394bGigE速度Base:255MB/sFull:680MB/s38MB/s32MB/s64MB/s100MB/s距离10m5m4.5m10m100m优势1.带宽高2.有带预处理功能的采集设备3.抗干扰能力强1.易用2.价格低3.多相机1.易用，价格低，多相机2.传输距离远，实际线缆可达到17.5m，光纤传输可达100m3.有标准DCAM协议4.CPU占用最低1.易用，价格低，多相机2.传输距离远，线缆价格低3.标准GigEVision协议缺点1.价格高2.线中不带供电1.无标准协议2.CPU占用高1.长距离传输线缆价格稍贵1.CPU占用稍高2.对主机配置要求高3.有时存在丢包现象中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司谢谢E-mail：[e-mail]