浅谈机器视觉传感器

机器视觉传感器是整个机器视觉体系信息的直接来历,它的挑选取决于准确性、输出、灵敏度、机器视觉体系的本钱以及对使用要求的充沛了解。对传感器主要功用的根本了解可以协助开发人员敏捷缩小他们的查找规模，找到适宜的传感器。

大多数的机器视觉体系的用户认识到相机是体系的要害要素，常常把它当作视觉体系的“芯片”。相机自身是一个杂乱的体系：包含镜头、信号处理器、通讯接口，以及最中心的部分——把光子转换成电子的器材：图画传感器。镜头和其它的部件一起合作来支撑相机的功用，传感器终究决议相机的最高功用。

业界的许多评论都会集在加工技能上，以及CMOS和CCD传感器孰优孰劣。这两种技能都有其优势和不足之处，所加工的传感器有着不同的功用。终究用户关怀的不是传感器是“怎么”被制作出来的，而是其在终究使用中的表现。

在指定的使用中，三个要害的要素决议了传感器的挑选：动态规模、速度和呼应度。动态规模决议体系可以抓取的图画的质量，也被称作对细节的表现才干。传感器的速度指的是每秒种传感器可以发生多少张图画和体系可以接收到的图画的输出量。呼应度指的是传感器将光子转换为电子的功率，它决议体系需求抓取有用的图画的亮度水平。传感器的技能和规划一起决议上述特征，因而体系开发人员在挑选传感器时有必要有自己的衡量标准，具体的研讨这些特征将有助于做出正确的判别。

正确了解动态规模

传感器的动态规模是最简单使人疑问和误解的当地，这是因为机器视觉体系是数字的。图画的动态规模包含两部分：一是传感器可以作业的曝光规模（亮度的倍数）；其次是传感器可以数字化像素信号的电平的数量，用位数表明。这两部分一般是严密相关的。

曝光的动态规模表明传感器可以正常作业的亮度水平。当光子碰击图画传感器的活动像素区域时发生电子，传感器将其捕获并存储起来以备体系读取。碰击活动区域的光子数越多，发生的电子数就越多，在读取的间隔中，该进程继续的时刻越长，被存储的电子就越多。决议传感器曝光动态规模的参数之一便是填充存储阱的曝光。制作传感器的半导体加工工艺和电路规划一起决议阱的容量或深度。

电子噪音是传感器可以作业的最低曝光水平，虽然没有任何光子碰击活动的像素区域，图画传感器也将以热量发射的方法发生电子。要发生可辨认的信号，有必要有满足的光子碰击活动的像素区域，以便在存储阱中有比暗电流噪音所发生的电子数更多的电子。传感器的最低曝光率是发生至少与噪音电子相同多的光电子数。只要在超越噪音等量的曝光水平常，传感器才干发生有用的信息。

传感器的曝光动态规模是由其物理和电路规划所决议的功用，而数字动态规模仅仅由电路规划所决议的功用。图画传感器的数字动态规模仅仅阐明它可以供给给视觉体系的显着的曝光值。8位的传感器有256个灰度级，10位的有1024个，以此类推。表明动态规模的位数并不是反映传感器可以呼应的最高曝光的有必要要素，可是这两者一般是相对应的。

比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能发生有用的信息，类似地，假如数字化值大于传感器的最大信号值，也不会发生额定的信息。在实践中，传感器需求规划成等量信号度与暗电流噪音水平等值，并有满足信号步进展到达饱满的曝光信号水平。按此方法规划，传感器的数字动态规模与其曝光动态规模阐明的是同一事物：饱满等量曝光与噪音等量曝光的比率。

交互作用决议取舍

传感器的动态规模必定程度上决议机器视觉体系所发生的图画质量，位数越高，体系可以分辩的图画的细节就越纤细。对更低的暗电流噪音和高精度的需求的日益进步，使传感器的本钱变得越来越贵重。可是，不是一切的使用都需求精密的图画。因而，规划师们规划了不同动态规模的传感器供挑选。例如，邮包分拣或电子出产查看，8位的动态规模就可以有效地作业。可是，医疗和空中侦查就需求14位的动态规模。

使用需求还对传感器的第二项特征速度提出了要求。速度是比动态规模更直观的特征，它仅仅衡量传感器收集和传送图画到体系的速度有多快。传感器的速度也包含两个方面：一个是帧频，也便是传感器传送像素数据到体系所需求的时刻。别的便是传感器为了收集一幅有用的图画所需的曝光时刻。帧频永久都不会比曝光时刻快，因而帧频是用来阐明传感器功用的通用量值。

在加工查看类的使用中，传感器的速度决议体系的输出。假如每一幅图画代表待检的一个零件，那么体系每秒可以查看的零件数量不会高于传感器每秒可以发送的帧数。当成像的物体处于运动状况时，为避免呈现图画含糊，有必要要求高的收集速度。因而关于高输出量的检测体系和对高速运动物体的成像使用需求高速的传感器。

速度和动态规模是彼此相关的，为了快速地传送图画，传感器有必要快速地对每一个像素的数据进行数字化。这就意味着模仿到数字转换器需求快速地构成一个安稳的输出。

从物理层面和规划角度上讲，速度应该退让于动态规模。电路运转的速度越快，发生的热量就越多。传感器的暗电流噪音跟着温度的添加而添加，因而传感器的速度越高，其噪音就越大，动态规模就越低。高速的传感器比低速的传感器的噪音更大，而且能供给的动态规模更低。

传感器的速度与其第三项特征呼应度也是相相关的。使用中所需的帧频越高，用于曝光的时刻就越少。为了削减曝光时刻，规划师需求添加光照的亮度，假如不添加亮度，就只能挑选高呼应度的传感器。

呼应度是指在给定的曝光条件下，所发生的信号的强度（V）。在图画传感器中，有三个要素操控呼应度：第一是量子的功率，或许说是每个光子所发生的电子的数量。第二个要素是存储电荷（q）的传感器输出电路的电容（C）的巨细，电荷的信号电压公式是V=q/C。第三个要素是传感器的输出放大器增益。假如传感器在与噪音等量的曝光水平下运转时，增益自身并不能进步传感器的呼应度。

开发人员在为他们的机器视觉体系选购传感器时，有必要在动态规模，速度和呼应度这三个要害要素之间做出取舍。高速度和低光照度将导致噪音添加并下降动态规模。在动态规模答应的情况下，对成像细节的高要求也需求进步光照强度以补偿较低的呼应度。传感器自身所具有的物理特点，不可避免地要在这三项要害要素之间做出平衡。

以上说到的三项要害要素并不是构成传感器挑选的仅有考量，别的还有两项重要的要素：传感器的分辩率和像素间隔，其间任何一项都可以影响图画的质量而且与上述三项要害要素彼此作用。

分辩率是指由多少个像素构成一幅图画，它是反映传感器尺度和像素间隔的量值。使用所需求的传感器的分辩率决议于几项相关的要素：包含视界、作业间隔、传感器巨细和像素间隔以及体系所要求的收集空间细节所需的像素的数量等。传感器的分辩率越高，其时钟有必要运转的越快以取得需求的帧频。因而，传感器的分辩率对速度有非常大的影响。

像素间隔界说单个像素区域的巨细，与传感器的巨细一起作用来决议传感器的分辩率。因为传感器一般只要有限的巨细可选，所以像素的间隔越小，其分辩率就越高。像素间隔可以影响呼应度，可是间隔越小，每个像素可以收集光子的活动区域就越小。

终究，一切这些传感器的要素都要与相机的其它部件彼此影响。相机镜头的分辩率是经过调制解调函数（MTF）来衡量的，例如，镜头的分辩率有必要与传感器的像素间隔相匹配才干取得抱负的成像质量。在传感器分辩率答应的规模内，一个5微米 MTF的镜头在3微米的像素间隔的传感器上所成的是非线形式只能构成灰色的图画。因而，在选购传感器时有必要收购与之匹配的其它体系部件。

最重要的一点是要充沛了解使用对传感器动态规模、速度和呼应度的需求。需求决议哪些功用是在可接受的规模之内，终究决议体系的其它部件的要求。(end)