工业相机CCD与CMOS的对比.doc

CCD与CMOS的对比数码相机的发展真可谓一日千里，近来各种新的感光技术纷纷涌现。很多数码相机生产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高，画质怎么怎么好。顾客在选购数码相机时也比较困惑，心里没底。为了让大家对目前市场上常见的三种数码相机感光芯片-CCD、CCD、CMOS有一个大概的了解，我们对这三种感光元件做了个总结，欢迎各位读者和我们进行探讨。大部分数码相机使用的感光元件是CCD（ChagreCouledDevice），它的中文名字叫电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。他是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上，模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。 线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。因此在很多场合不适用。另一种是矩阵式CCD，MV-VD USB2.0接口CCD和 MV-VS 1394接口工业CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。 另一种处理方法是使用三棱镜，他将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。也就是可以做到同点合成，因此拍摄的照片清晰度相当高。该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。在你照下一张照片前，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。因此这类相机对其他部件的要求非常高，其价格自然也非常昂贵。此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。我们通过INTERNET查看了大量由CANONEOSD30所拍摄的照片，发现CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信CMOS是未来数码相机的发展方向。工业相机类型简介一、工业相机类型简介CCD 是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路，很快 CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像（硅的光敏性）处理。CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能，在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件，被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。总结下来，CCD 主要有以下几种类型:1、面阵CCD工业相机: 允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。2、线阵CCD工业相机: 用一排像素扫描过图片，做三次曝光分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。3、三线传感器CCD工业相机: 在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。4、交织传输CCD工业相机: 这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。5、全幅面CCD工业相机: 此种CCD 具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD 允许即时拍摄全彩图片。全幅面 CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD 曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。二、工业相机参数简介 工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。主要参数1. 分辨率（Resolution）:相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字工业相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。2. 像素深度（Pixel Depth）:即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit等。3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）:相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz）。4. 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）:对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速工业相机还可以更快。5. 像元尺寸（Pixel Size）:像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为3m-10m，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm1000nm,一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。工业数字相机接口一览表 USB2.0IEEE 1394aIEEE 1394bGigE VisionCamera Link模拟电缆长度5米(加转发器可达20米)10米(加转发器可达72米)4.5米(加转发器可达72米)100米可达15米(取决于带宽)可达100米以上或更长带宽 32 Mbytes/s64 Mbytes/s100 Mbytes/s255 Mbytes/s680 Mbytes/s传输率480 MB/s400 MB/s800 MB/s1000 MB/s2000 MB/s标准USB2.0标准IEEE 1394贸易联合会DCAM标准IEEE 1394贸易联合会DCAM标准GigEVision标准AIA Camera Link 标准多种视频信号标准接口/板卡主板自USB2.0或USB2.0板卡普通IEEE1394A板卡普通IEEE1394B板卡千兆以太网板卡图像采集卡图像采集卡相机最大数量816（DCAM）16（DCAM）无限2(每个帧抓取器)16(取决于帧抓取器)即插即用功能有有有有无无电缆工业和民用电缆工业和民用电缆工业和民用电缆工业和民用电缆工业电缆工业和民用电缆Microvision相关产品 USB2.0系列：MV-130UM/UCMV-200UCMV-300UCMV-1300UM/UCMV-2000UCMV-3000UCMV-DC130MV-DC200MV-DC300MV-DC500MV-VD系列：MV-VD036SC/SM MV-VD048SM MV-VD130SM MV-VD030SC/SM MV-VD078SC/SM MV-VD120SC/SMMV-1394系列：MV-1300FMMV-1300FCMV-2000FCMV-3000FCMV-VS系列：MV-VS030FM/FC MV-VS045FM/FC MV-VS078FM/FC MV-VS120FM/FCMV-VS140FM/FC MV-VS141FM/FC MV-VS142FM/FC MV-VS200FM/FCMV-VS030FM-L MV-VS030FC-L MV-VS078FM-L MV-VS078FC-LMV-VE系列：MV-VE030SC MV-VE030SM MV-VE078SC MV-VE078SM MV-VE120SC MV-VE120SM MV-VE141SC MV-VE141SM MV-VE142SC MV-VE142SM MV-VE200SC MV-VE200SM模拟系列：VS-902H/HC VS-912HCVS-808H/HC VS-818HCVS-616H/HC VS-620H/HC VS-625H/HC VS-630SC/SMVS-870H/HC VS-880H/HC VS-890H/HC VS-900HC/HB 工业镜头的基本参数工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。 当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置)，可以将模糊的图像变得清晰。 由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道:设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。一工业镜头的安装尺寸，接口所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是17526mm。CS安装座:特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是125mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。二镜头的尺寸以摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、23英寸、12英寸、13英寸、14英寸、15英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表:格式1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸高度9.6mm6.6 mm4.8 mm3.6 mm2.4 mm宽度12.8 mm8.8 mm6.4 mm4.8 mm3.2 mm摄像机镜头规格应视摄象机的CCD尺寸而定，两者应相对应。大概: 摄像机的CCD靶面大小为12英寸时，镜头应选12英寸。 摄像机的C CD靶面大小为13英寸时，镜头应选13英寸。 摄像机的CCD靶面大小为14英寸时，镜头应选14英寸。 如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。 监控相机一般都比较小，甚至小于1/3英寸；工业相机稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都大，36mm24mm（1.4英寸0.9英寸），画面对角线长度为43mm（1.7英寸），即是1.7英寸的，120中幅相机，其感光面尺寸有三种:4560mm、6060mm和9060mm，可见画幅更大。 三镜头的光圈，F值光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越大，信噪比越高。 可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以，标准光圈大小的参数应该与两个变量有关，孔径，焦距。 光圈系数，即F值即是用来来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。F值的规律是后一个值正好是前一个数值的2 倍，所以，光圈调大一挡，光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。 一般光圈都可以调节，从而有手动光圈(manual iris)和自动光圈(autoiris)之分。 手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下，手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的个环调节。旋转此圈可使光圈收小或放大。在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈工业镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈