1、摄像机介绍摄像机产品知识一 .1摄像机的分类： .11、以不同图像传感器分类：CCD 相机与 CMOS 相机 .12、以不同图像颜色分类：单色相机与彩色相机 .23、按像元排列方式划分：面阵摄像机与线阵摄像机 .24、以输出图象信号分类：模拟信号相机与数字信号相机 .35、按 CCD 靶面大小划分 .4、按同步方式划分 .47、按照度划分，CCD 又分为： .4摄像机产品知识二 .5一、常用摄象机的感光芯片。 .5CCD 摄像机 .5CCD 摄像机的选择和分类 .5CMOS 摄像机 .6二、几个概念 .71、像素 .72、信噪比 .83、灵敏度 .84、图像清晰度 .95、噪点 .96、几何失
2、真 .97、重合精度 .98、调节 .109、最低照度 .10摄像机产品知识一摄像机的分类：1、以不同图像传感器分类：CCD 相机与 CMOS 相机CCD 相机：使用 CCD 式感光芯片为图像传感器的相机。 CMOS 相机：使用 CMOS 式感光芯片为图像传感器的相机。 CCD 相机，是目前绝大多数机器视觉系统中所使用的相机。现在市场上公开销售的 CCD 相机，无论是在图像格式、分辨率还是敏感度等各个方面都有着广阔的选择空间。可以这样说：CCD 相机所提供给我们的优越性能，可以满足 99的项目要求。 与 CCD 相机相比，虽然 CMOS 相机有着如：工艺简单、成本低廉、低功耗、系统整合性好、区
3、域读取图像灵活等诸多优点。但由于生产工艺上的差距，CMOS 目前在除噪及灵敏度方面仍逊于 CCD，因此使得 CMOS 相机现在处于民用阶段，尚无法达到工业应用领域的要求。2、以不同图像颜色分类：单色相机与彩色相机单色相机：输出图像为单色图像的相机。彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。多数彩色 CCD 相机所采用的技术，是在单一传感器前装置一系列彩色滤片，从而令不同色彩的光进入到不同 CCD 点象素中去，也就是说不同象素中所感受到的只是某一种单色光的灰度。就目前的生产工艺来说，由于使用滤片使得彩色相机的灵敏度远低于单色相机。同时由于彩色相机中的象素只“存放”一种色光的灰度值，因此彩色相机的分辨率
4、也远远不及单色相机。这便使得彩色相机只能用于需要“色彩认识”的系统，还不能被普通使用于高精度的测量、定位等系统。3、按像元排列方式划分：面阵摄像机与线阵摄像机面阵摄像机是我们常见的形式，其像元是按行列整齐排列的，每个像元对应图像上的一个像素点，我们一般所说的分辨率就是指像元的个数。需要指出的是我们计算机中的彩色图像一般是每个像素点由 R、G、B 三个值来表示，但我们一般的彩色摄像机却并不是这样的，下面分别进行介绍：黑白摄像机，每个像素点对应一个像元，该像元对于各种波长的光具有较一致的敏感度，采集得到的只是每个像素点的灰度值。采用 BAYER 转化的单片彩色摄像机，这种摄像机的每个像素点实际只对
5、应 R、G、B 三种之一的像元，R、G、B 三种像元按一定的规律排列，我们实际所得到的每个像素点的R、G、B 三原色的数值是根据该像素点及其周围若干点的三色数值进行 BAYER插分计算而来的，所以这种摄像机所得到的图像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是对应边缘位置会有较明显的色彩失真和细节的丢失。目前我们常见的彩色摄像机一般是这种形式的，其价格和同档次的黑白摄像机相近。 3CCD 彩色摄像机，这种摄像机每个像素点对应有 R、G、B 三个感光元件，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个 CCD 靶面上，分别进行光电转换得到R、G、B 三色的数值（见下图）。这种摄像机得到的图像质量好，没有细节丢失的
6、问题，但由于摄像机结构复杂，所以一般较昂贵。另外由于这种摄像机采用了分光棱镜的方式，光线到达每个 CCD 靶面的光程是不一样的，所以需要镜头做针对性的设计才能达到比较好的图像效果，所以使用 3CCD 的摄像机还需要配备专用的镜头。 线阵摄像机是一种比较特殊的形式，其像元是一维线状排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的图像数据，只有当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。具体为，CCD 感光芯片上的点阵呈线状（一行或两行）分布的，其所成图像为一维“线”图像。 线阵摄像机里的CCD 感光芯片，只是一条线（或是两条线），但这条线却很长：1K，2K，4K 甚至更长。也就是
7、说线阵摄像机一次拍出的图像，只是一条线。为了得到整个二维图像，通常需要移动被测物或相机本身，同时间断地拍照。线阵摄像机需要多次成像后，将所成的“线”象拼成一幅完整的图像。因此，线扫描相机更多地被用于分辨率要求极高的项目里。同时还需要大口径镜头、强亮度灯源以及大光圈，以适应其非常高的成像速度。黑白摄像机，也是最常用的线阵摄像机，每个像素点对应一个像元，采集得到的是灰度图像。3Line 彩色摄像机，该摄像机的具有 R、G、B 三行像元，分别对红、绿、兰三种波长的光敏感，所以每个像素点都会对应 R、G、B 三个通道的数值，形成彩色的图像数据。需要注意的是，由于 R、G、B 三行像元在同一时刻所采集的
8、并非同一位置的信息（见图），在实际应用中需要进行运动校正才能得到所需的彩色图像。一般的摄像机都提供内部进行运动校正处理的功能，但对于对比度非常高的图像边缘还是容易出现色彩失真的现象。 3CCD 彩色摄像机，与面阵的 3CCD 摄像机原理相同，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个 CCD 靶面上，分别进行光电转换得到 R、G、B 三色的数值。图像质量好，但需配备专用镜头。4、以输出图象信号分类：模拟信号相机与数字信号相机模拟信号相机：在模拟信号相机中，从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号，后再传到图像采集卡中。 数字信号相机：在数字信号相机中，信号自传感器中的每一个象素输出
9、后，在相机内部就被数字化了，数字化之后的图像可直接被计算机所接受。 模拟信号相机的成本一般上低于数字信号相机。但是在除噪、速度方面则比数字信号相机来得差。数字信号相机除了在除噪及速度方面优于模拟信号相机外，由于是数字信号传输方式，因此在计算机中所得到的由数字信号相机拍出的图像，更加“逼真”。而且，数字信号相机在分辨率及成像速度方面有更多选择。Cameral Ink 和 Fire wire 是数字信号相机最常见的传输标准。数字信号相机取代模拟信号相机，是不可逆转的大趋势。不过目前我们常见的数字信号相机，多是家用 CMOS 数字相机。 模拟摄像机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号，需要配专用的
10、图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。模拟摄像机一般用于电视摄像和监控领域，具有通用性好、成本低的特点，但一般分辨率较低、采集速度慢，而且在图像传输中容易受到噪声干扰，导致图像质量下降，所以只能用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。常用的摄像机输出信号格式有：PAL（黑白为 CCIR），中国电视标准，625 行，50 场 NTSC（黑白为 EIA），日本电视标准，525 行，60 场 SECAMS-VIDEO分量传输数字摄像机是在内部集成了 A/D 转换电路，可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息，不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题，而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约，对外的信
11、号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议，可以做成各种分辨率的形式，出现了目前数字摄像机百花齐放的形势。常见的数字摄像机图像输出标准有：IEEE1394USB2.0DCOM3RS-644 LVDSChannel Link LVDSCamera Link LVDS千兆网5、按 CCD 靶面大小划分 CCD 芯片已经开发出多种尺寸： 目前采用的芯片大多数为 1/3”和 1/4”。在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD 靶面的大小，CCD 与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。1 英寸靶面尺寸为宽 12.8mm*高 9.6mm，对角线 16mm。 2/3 英寸
12、靶面尺寸为宽 8.8mm*高 6.6mm，对角线 11mm。 1/2 英寸靶面尺寸为宽 6.4mm*高 4.8mm，对角线 8mm。 1/3 英寸靶面尺寸为宽 4.8mm*高 3.6mm，对角线 6mm。 1/4 英寸靶面尺寸为宽 3.2mm*高 2.4mm，对角线 4mm。、按同步方式划分 内同步：用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。 外同步：使用一个外同步信号发生器，将同步信号送入摄像机的外同步输入端。功率同步（线性锁定，line lock）：用摄像机 AC 电源完成垂直推动同步。 外 VD 同步：将摄像机信号电缆上的 VD 同步脉冲输入完成外 VD 同步。 多台摄像机外同
13、步：对多台摄像机固定外同步，使每一台摄像机可以在同样的条件下作业，因各摄像机同步，这样即使其中一台摄像机转换到其他景物，同步摄像机的画面亦不会失真。 7、按照度划分，CCD 又分为： 普通型 正常工作所需照度 13LUX 月光型 正常工作所需照度 0.1LUX 左右 星光型 正常工作所需照度 0.01LUX 以下 红外型 采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像摄像机产品知识二一、常用摄象机的感光芯片。我们知道感光芯片是摄像机的核心部件，目前摄像机常用的感光芯片有 CCD 和CMOS 两种：CCD 摄像机CCD 称为电荷耦合器件，CCD 实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存
14、起来的方法。按照 CCD 的数量分为单片和三片 CCD摄像头的主要传感部件是 CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，CCD 是电耦合器件（Charge Couple Device）的简称，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件。是代替摄像管传感器的新型器件。CCD 的工作原理是：被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到 CCD 芯片上，CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。这个标准的视频
15、信号同家用的录像机、VCD 机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。在闭路监控系统中，摄像机又称摄像头或 CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件。严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的，不要以为摄像机（头）上已经有镜头。CCD 摄像机的选择和分类 CCD 芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本 SONY、SHARP、松下、LG 等公司生产
16、的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成 CCD 采集效果也大不相同。在购买时，可以采取如下方法检测：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测 CCD 芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的 CCD 可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。个别 CCD
17、 由于生产车间的灰尘，CCD 靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。 CCD 摄像机采用 CCD 电子藕合器件替代摄像管,实行光电转换、电荷储存与电荷转移。CCD 的功能相当于摄像管摄像机内的摄像管。CCD 摄像器件具有小型、轻重量、长寿命、低工作电压、图像无几何失真、抗灼伤等摄像管无可比拟的优点。目前,广播电视系统用的摄像机绝大多数为 CCD 摄像机。CCD 摄像机拍摄的图像质量与 CCD 的数量、CCD 的感光面积、CCD 的工作方式合很大关系。按 CCD数量可分为:单片、三片式摄像机，三片的质
18、量最好，广播电视系统均采用三CCD 摄像机。CCD 摄像机还可以按 CCD 电子藕合器件的工作方式分为：IT(行间转移型)方式 FT(帧间转移型)方式和 FIT(帧行间转移型)方式。一般 FIT 方式图像质量最好。那些是模拟的摄像机。CMOS 摄像机，CMOS 称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS 实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。尽管 CCD 表示“电荷耦合器件”而 CMOS 表示“互补金属氧化物半导体”，但是不论 CCD 或者 CMOS 对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像半导体”，CCD 和 CMOS 传感器实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”，图像半
19、导体是一个 P N 结合半导体，能够转换光线的光子爆炸结合处成为成比例数量的电子。电子的数量被计算信号的电压，光线进入图像半导体得越多，电子产生的也越多，从传感器输出的电压也越高。因为人眼能看到 1Lux 照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD 传感器通常能看到的照度范围在 0.13Lux，是 CMOS 传感器感光度的 3 到 10 倍，所以目前一般 CCD 摄像机的图像质量要优于 CMOS 摄像机。CMOS 可以将光敏元件、放大器、A/D 转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。CMOS 摄像机存在成像质量差、
20、像敏单元尺寸小、填充率低等问题，1989 年后出现了“有源像敏单元”结构，不仅有光敏元件和像敏单元的寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度、减小了噪声，扩大了动态范围，使得一些参数与 CCD 摄像机相近，而在功能、功耗、尺寸和价格方面要优于 CCD，逐步得到广泛的应用。CMOS 传感器可以做得非常大并有和 CCD 传感器同样的感光度，因此非常适用于特殊应用。CMOS 传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快，这个优点使得 CMOS 传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400 到 100000 帧/秒。二、几个概念1、像素 无论
21、是摄像头还是数码相机，像素都是主要性能指标之一。所谓像素，是指摄像头感光组件上的光敏单元的数量，光敏单元越多，摄像头捕捉到的图像信息就越多，图像分辨率也就越高，相应的屏幕图像就越清晰。利用像素值，可以计算出最大像分辨率，例如一款摄像头的最大分辨率为 640X480，那么像素就是 640 X480 = 307200，即 30 万象素。 目前常见的摄像头像素有：10 万、30 万、50 万甚至是 80 万、130 万(1280 X 1024=1312720)。分辨率是衡量成像器件与成像系统优劣的一个重要参数，面就简要叙述一下分辨率的含义、表示法以及 CCD 摄像机（含其他固体摄像机，如 CMOS
22、摄像机）的常用分辨率的测试及一般计算公式，分辨率有时也称清晰度，对 CCD 摄像机来说，则应有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，两者的比值可称为清晰度比。由于垂直清晰度是固定的，所以摄像机的清晰度主要指水平清晰度。下面分别介绍一下。 垂直清晰度垂直清晰度是由一帧图像的扫描行数决定的。由于在场消隐期间看不到扫描线，对于我国 625 行 50 场的扫描制式来说，画面的有效扫描行数约为 575 行；而对于美国 525 行 60 场的扫描制式来说，画面的有效扫描行数约为 490 行。由于水平扫描线之间是离散的，所以两条相邻的水平扫描线之间一定会丢失部分细节（或说对与扫描线相同的黑白水平线摄像时，扫描
23、线与黑白水平线正好重合的概率不等于一）。一般，约有 30%（凯尔系数）的细节会丢失。所以认为，垂直清晰度 RV 等于有效扫描行数 n 乘以经验值 0.7（即 70%），即 RV = 0.7n 。所以，对 625 行的扫描制式来说，实际有效的清晰度为 5750.7=402TVL；对 525 行的扫描制式来说，其垂直清晰度为 4900.7=343TVL。因此垂直清晰度对同一电视制式来说，基本上是固定的。 水平清晰度水平清晰度是当用与画面高度相等的黑白相间的垂直平行线作被摄物时，在水平方向上所能够再现的线数。而黑白条图形都是一定频率的方波信号，所以根据行扫描速度和传送带宽也可确定水平清晰度的值。水平
24、清晰度用 RH 表示，如果一条扫描线上能够再现 m 个象素，则可用下式来表示水平清晰度：RH = 0.75m 式中，m 为水平方向的象素数，V 是画面的垂直高度，H 为水平长度，V / H 也叫做光栅高宽比。一般 V/H=3/4=0.75。因此，对象素数为 500（H）582（V）的摄像机来说，其水平清晰度 RH = 0.75500 = 375TVL，所以对分辩率无特殊优化处理等功能的一般摄像机来说，不可能有 420TVL（当前市场没有规范，应统一）。在一条扫描线上能够再现 m 个象素时，所要求信号的最大频率 fmax 可由下式表示：fmax=m/2tntk 式中，tn 是行扫描时间（S）；t
25、k 是行扫描时间的有效系数，其值为otkl。当一帧图像的扫描行数为 n，一秒的帧数为 F 帧，且 t n = 1 / n F 帧 时，水平清晰度 RH 还可用下式表示2、信噪比信噪比是在标准照明度（2000Lx）下，摄像机图像（亮度或绿路）信号的峰峰值与视频噪波的有效值之比。信噪比的数值与测量条件有关。信噪比是不同档次摄像机的主指标，该指标越高越好，例如信噪比为 60dB 比58dB 要好3、灵敏度灵敏度是在同一照度下，拍摄同一景物得到额定输出时所用的光圈大小来衡量的。通常在照度为 20001x（勒克斯），色温 3200K，拍摄白反射系数为 89 9的景物，信号输出为 700 毫伏。此时使用的
26、光圈越小，表示摄像机的灵敏度越高。例如，光圈为 F5.6 就比光圈为 F4 的灵敏度要低。4、图像清晰度图像清晰度是指摄像机分解黑白细线条的能力，通常用图像中心部分水平分解力表示。如水平分解力 700 线则表示在拍摄一幅水平方向具有 700 线条黑白相间垂直线条的图像时，监视器上重现图像的中心部分还能看清楚黑白线条。水平分解力越高，图像的清晰度就越高。对于 CCD 图像传感器，全图像内的水平清晰度都是一致的。5、噪点 图像噪点是指图像中的杂点与正常像素的比例。通常来说图像噪点越多，摄像头所捕捉到的图像所含有的杂点就越多。 图像噪点是指图像中的杂点与正常像素的比例。通常来说图像噪点越多，摄像头所
27、捕捉到的图像所含有的杂点就越多。6、几何失真几何失真表示重现图像与原图像的几何形状的差异，表现为枕形、桶形、菱形等多种失真形式。它主要是摄像管摄像机的一大指标，对于广泛使用的 CCD 摄像机来讲几何失真很小，几乎很难测量出来。7、重合精度三片或三管式摄像机重现的彩色图像是由红、绿、蓝三个基色图像混配出来的，三者在空间位置和几何位置必须一致，否则混合出的图像必然有红、绿、蓝等色边出现。摄像管摄像机一般要求：l 区内的重合误差小于 0l；11 区内的重合误差小于 02； Ill 区内的重合误差小于 05。图像技术区域的划分如图 23 所表示。对于 CCD 摄像机，整个画面的重合误差均小于 005。
28、8、调节 摄像头的调节参数主要有亮度、白平衡、色彩补偿和调焦。其中白平衡的含义是摄像头调节颜色的能力，质量好的摄像头具有较佳的自动白平衡调整功能，也就是在光源颜色并非纯白的时候，摄像头调整三原色的比例而达到色彩的平衡，使被拍摄对象不至于因为光源颜色而产生偏色9、最低照度最低照度是指在一定的信噪比条件下，比较被摄景物所需照度的大小。照度越低，说明摄像机灵敏度越高。光照度是表明物体被照明程度的物理量。光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，英文 lux 的音译，也可写为 lx 。被光均匀照射的物体，在1 平方米面积上所得的光通量是 1 流明时，它的照度是 1 勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一方向被照面上的照度。例如摄像、摄影照明灯、手电筒和汽车前灯等都装有反光镜。以下是各种环境照度值：单位 lux黑夜 0.001 - 0.02
