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1、17.1 7.1 光导视觉传感器光导视觉传感器 光导视觉传感器主要用于光导式摄像机，这种摄像机是由接收部分、光电转换部分和扫描部分组成的二维视觉传感器。其光导摄像管是一种利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的真空或充气的光电器件。光导摄像管兼有光电转换功能和扫描功能，一般有真空光电管和充气光电管两类，或称电子光电管和离子光电管。第1页/共58页2光电式摄像机工作原理 光电式摄像机由接收部分、光电转换部分和扫描部分组成二维视觉传感器。其光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫描功能的真空管。经透镜成像的光信号在摄像管的靶面上作为模拟量而被记忆下来。从阴极发射的电子束依次在靶面(光电转换面)
2、上扫描，将视觉的光信号转换成时间序列的电信号输出。第2页/共58页3光导摄像管构成原理 第3页/共58页4视觉传感器单个像素的光电变换原理 光电靶面上每一个像素均可看作由电容C C、光照时导电性增强的光电基元G GL L、不照射时也导电的暗电流基元G GD D等并联的电路。电子束扫描到该像素时开关S S闭合，电容C C在瞬间被ErEr充电，扫描移到邻近像素时，S S打开。当S S打开时，如有光照在G GL L上，将产生电荷，它同C C上的电荷中和一部分。下次扫描到该点时S S再次闭合，已被中和了的C C又被充电，充电电流I Ic c流过R RL L。电压I Ic cR RL L同该点受光照射的
3、强度有关，I Ic cR RL L即为视觉的输出。第4页/共58页57.2 CCD7.2 CCD视觉传感器哈苏39003900万像素数码单反相机第5页/共58页6PMTPMT视觉传感器 PMTPMT是最早出现的视觉传感器，从上世纪五十年代发展到现在，技术已经非常成熟，是目前性能最好的传感器。PMTPMT就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。类似小灯泡的传感器“PMT”PMT”第6页/共58页7 CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半
4、导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的Super CCD除外)。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步，又由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD。CCDCCD视觉传感器第7页/共58页87.2.1 CCD7.2.1 CCD电荷耦合器件 CCD CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS(MOS(金属一氧化物一半导体)电容器组成的阵列，用于实现光电转换、信号储存、转移、输出、处理及用作电子快门等。CCDCCD特点：1 1）体积小重量轻、功耗低、可靠性
5、高、寿命长。2 2）空间分辨率高。3 3）光电灵敏度高、动态范围大。4 4）模拟、数字输出方便；与微机接口方便。第8页/共58页9CCDCCD究竟是什么？CCDCCD传感器又叫电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。第9页/共58页10CCDCCD电极的基本构造 第10页/共58页11CCDCCD电极的工作原理 在CCDCCD固体传感器的电极中，每一个MOSMOS电容器实际上就是一个光敏元件（像素），假定半导体衬底是N N型硅，当光照射到MOSMOS电容器的N N型硅衬底上时，会产生电子空穴对(光生电荷)，电子被栅极吸引存储
6、在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。无光照的MOSMOS电容器则无光生电荷。这样把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。第11页/共58页12二维MOSMOS电容器面阵 第12页/共58页131110011100万像素CCDCCD视觉传感器首款1110011100万像素CCDCCD视觉传感器第13页/共58页14 MOS MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所以再生视觉往往产生“拖尾”
7、，视觉容易模糊不清。另外，直接采用MOSMOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。现在更多地在CCDCCD视觉传感器上使用的是光敏元件与移位寄存器分离式的结构。7.2.2 CCD7.2.2 CCD视觉传感器第14页/共58页15P3P1P3P2P3P2P1P3P2P2 电荷转移的控制方法，非常类似于步进电机的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。这里以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图：P1P1P2P2P3P3P1P1P1P2P2P3P3P1(a)123t0t1t2t3t(b)t=t0t=t1t=t2t=t30电荷的定向转移第15页/共58页16二相驱
8、动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出(a)(b)面阵CCD视觉传感器结构第16页/共58页17光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)面阵CCD视觉传感器结构2第17页/共58页18隔行传送的二维CCDCCD摄像元件第18页/共58页19光敏元件与移位寄存器分离式结构 第19页/共58页20图5-4线阵CCDCCD内部框图第20页/共58页217.2.3 CCD7.2.3 CCD视觉传感器的应用第21页/共58页22 (1)(1)组成测试仪器可测
9、量物位、尺寸、工件损伤等；(2)(2)作为光学信息处理装置的输入环节。例如：用于传真技术、光学文字识别技术以及图象识别技术、传真、摄像等方面；(3)(3)作自动流水线装置中的敏感器件。例如：可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面；(4)(4)作为机器人的视觉，监控机器人的运行。固态视觉传感器的用途第22页/共58页237.3 CMOS 7.3 CMOS 视觉传感器佳能数码单反相机EOS D30EOS D30采用的CMOSCMOS传感器 尼康D2XD2X上所使用的CMOSCMOS 第23页/共58页24CCDCCD和CMOSCMOS的主要区别 制造上的区别：CMOSCMOS和C
10、CDCCD同为半导体。但CCDCCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOSCMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。工作原理的区别：主要区别是读取视觉数据的方法。CCDCCD从阵列的一个角落开始读取数据。CMOSCMOS对每一个像素采用有源像素传感器及晶体管，以实现视觉数据读取。视觉扫描方法的区别：CCDCCD传感器连续扫描，在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOSCMOS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。成像方面的区别：CMOSCMOS器件产生的视觉质量相比CCDCCD来说要低一些。第24页/共58页25 场效应晶体管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也
11、称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电(绝缘)状态，所以输入电阻很高，最高可达10101515。绝缘栅型场效应晶体管目前应用较多的是以二氧化硅为绝缘层的金属一氧化物-半导体场效应晶体管，简称为MOSFETMOSFET。MOSFETMOSFET有增强型和耗尽型两类，其中每一类又有N N沟道和P P沟道之分。NMOSNMOS管和PMOSPMOS管可以组成共源、共栅、共漏三种组态的单级放大器，也可以组成镜像电流源电路和比例电流源电路。7.3.1 CMOS7.3.1 CMOS型光电转换器件第25页/共58页26CMOSCMOS型放大器第26页/共58页27CMOSCMOS型光电变换器件第27页/共
12、58页28 利用CMOSCMOS型光电变换器件可以做成CMOSCMOS视觉传感器。由CMOSCMOS衬底直接受光信号照射产生并积蓄光生电荷的方式不大采用。现在更多地在CMOSCMOS视觉传感器上使用的是光敏元件与CMOSCMOS型放大器分离式的结构。7.3.2 CMOS7.3.2 CMOS视觉传感器第28页/共58页29CMOSCMOS线型视觉传感器构成第29页/共58页30CMOS/CCDCMOS/CCD视觉传感器的结构差异 无论是CCDCCD还是CMOSCMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOSCCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管，该二极管在接受光线照
13、射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。但在周边组成上，CCDCCD的感光元件与CMOSCMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积。而CMOSCMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOSCMOS传感器的开口率远低于CCDCCD。（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）第30页/共58页31CMOSCMOS视觉传感器的长处 CMOS CM
14、OS视觉传感器易与A/DA/D电路、数字信号处理器DSPDSP电路等集成在一起。CCDCCD视觉传感器只能单一的锁存到成千上万的采样点上的光线的状态，CMOSCMOS则可以完成其它的许多功能，如A/DA/D转换，负载信号处理、白平衡处理及相机控制(白平衡调整就是通过视觉调整，使在各种光线条件下拍的照片色彩与人眼看到的景物色彩一样)。CMOSCMOS视觉传感器耗电小，其耗电量约为CCDCCD视觉传感器的1/31/3。第31页/共58页32 CMOS CMOS视觉传感器与CCDCCD视觉传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、视觉识别等各个领域。CMOSCMOS针对CCDCCD最主要的优势
15、就是非常省电。CMOSCMOS视觉传感器用于数码相机有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。7.3.3 CMOS7.3.3 CMOS视觉传感器的应用第32页/共58页33 7.4 7.4 人工视觉 在实现机电系统智能化时，图像识别非常重要，因此，如何实现人眼的部分功能便是关键问题。为此目的，已利用不同形式的视觉传感器研制了从检查作业对象的有无，测量其大致位置的简易型视觉，到具有图像识别功能的高级视觉等各种水平的人工视觉，其中一部分已用于具体实用装置。人工视觉提供了在信息科学乃至人工智能领域极其有意义的研究课题。第33页/共58页347 7.4 4.1 1 人工视觉系统的硬件构成 第
16、34页/共58页357.4.2 7.4.2 物体识别 1 1物体图像信息的输入 识别物体前需先将物体的有关信息输入到计算机内。被输入的信息主要有明亮度(灰度)信息、颜色信息和距离信息，这些信息都可用视觉传感器(ITV(ITV、CCDCCD等)取得。明亮度信息可借助A AD D转换器数字化成4 41010比特，形成64X6464X641024X10241024X1024像素组成的数字图像。然后将这些数字图像读入计算机。颜色图像可用彩色摄像机摄入彩色图像，也可简单地用三原色滤光镜，以通过各滤光镜的光量比决定各点的颜色信息。第35页/共58页362 2图像信息的处理技术和方法 输入的图像信息含有噪声
17、，且并非每个像素都具有实际意义。因此，必须消除噪声，将全部像素的集合进行再处理，以构成为线段或区域等有效的像素组合，从所需要的物体图像中去掉不必要的像素，这就是图像的前处理。用一般的串行计算机处理二维图像，运算时间很长，为了缩短时间，可用专用图像处理器，这种处理器有局部并列型、完全并列型、流水线型、多处理器型等。第36页/共58页373 3物体图像的识别 首先输入被识别物体的图像模型，并抽出其几何形状特征，然后用视觉传感器输入物体的图像并抽出其几何形状特征，用比较判断程序比较两者的异同。如果各几何形状特征相同，则该物体就是所需要的物体。物体的几何形状特征一般是面积、周长、重心、最大直径、最小直
18、径、孔的数量、孔的面积之和等等。这些几何量可根据图像处理所得到的线架图求得。例如连杆的周长(像素数)如果与预先输入的连杆图像的周长(像素数)相同，即可确认是连杆。若有 两个物体图像的某一几何特征(如周长)，其像素数相同，可对其上孔的数量或其它几何特征进行比较，从而确切识别出各种物体。第37页/共58页38 4 4立体视觉 距离信息是处理三维图像不可缺少的，而距离计测多以三角原理进行处理。立体视觉使用两台视觉传感器，象人类的两眼组成立体视觉。通过比较两台摄像机摄入的两个图像而找出其对应点，再从两个图像内的位置与两台摄像机几何位置的配置，决定相当于对应点对象物体上一点的距离信息。距离的检测也可使用
19、一台视觉传感器和一台激光发射器，当测知角r r、及距离L L时，即可运用三角原理计算出到被测物体上A A点的距离。第38页/共58页397.5 7.5 视觉传感器应用实例第39页/共58页40顾客申请单光源CCD线型视觉传感器放大器自动誊写机纸打印机月票镜头月票自动发售机结构组成 7.5.1 7.5.1 月票自动发售机第40页/共58页41景物CCD彩色视觉传感器扫描电路放大器A/D转换器压缩编码电动机磁带存储卡镜头分色镜数字摄像机基本结构 RGB7.5.2 7.5.2 数字摄像机第41页/共58页42索尼DVD805EDVD805E数字摄像机第42页/共58页43数字摄像机(D DV V)的
20、性能 第43页/共58页44数码影视制作系统第44页/共58页457.5.3 7.5.3 数码相机哈苏39003900万像素数码相机千万像素的CMOSCMOS数码相机第45页/共58页46景物分色镜CCD彩色视觉传感器取景器电路放大器ASIC集成电路A/D转换器CPU存储卡镜头RGB数码相机的基本结构 第46页/共58页47数码相机的主要功能 1 1、镜头功能：把光线会聚到CCDCCD或CMOSCMOS视觉传感器上，起到调整焦距的作用。2 2、CCDCCD（CMOSCMOS）视觉传感器功能：把镜头传来的视觉信号转变为仿真电信号。3 3、A/DA/D转换器功能：利用A/DA/D转换器将CCDCC
21、D产生的仿真电信号转换为数字信号，并传输到视觉处理单元。4 4、数字信号处理器功能：通过一系列复杂的数学运算法，对数字视觉信号进行优化处理。5 5、视觉压缩功能：利用JPEGJPEG编码器把得到的视觉转换为静止压缩的视觉(JPEG(JPEG格式)。6 6、总体控制电路功能：主控程序芯片(MCU)(MCU)协调和控制测光、运算、曝光、闪光控制及拍摄逻辑控制。7 7、AEAE功能和AFAF功能：在中高级的数码相机中，一般都含有AEAE功能和AFAF功能。8 8、聚焦功能：数码相机的自动聚焦功能有主动式和被动式两种形式。第47页/共58页48数码相机的工作步骤 1 1、开机准备；2 2、聚焦及测光；
22、3 3、视觉捕捉；4 4、视觉处理；5 5、视觉存储；6 6、视觉的输出。第48页/共58页49数码相机的成像原理第49页/共58页50数码相机的像素和图象分辨率 传统胶卷相机将所拍摄的图象存储在胶卷上，而数码相机则是将所拍摄的图象以像素的形式存储在数码相机的内存或存储卡中。像素是构成数码图象的最基本元素，它们是数码图象最基本的单位，数以千计的像素就构成了栩栩如生的数码图象。图象分辨率决定着图象的细节水平和清晰度，像素越多，图象的分辨率就越高。由于构成一张数码图象的像素较多，所以它们的单位一般都是以百万计，也就是我们通常所说的兆像素。数码相机以所能拍摄图象的像素高低来分类，目前的数码相机的分辨
23、率主要在1201201000010000万像素之间，其中500500万以上像素的数码相机为高分辨率的专业级数码相机。第50页/共58页517.5.4 7.5.4 彩信手机第51页/共58页52彩信手机的彩信业务第52页/共58页53GPRSGPRS分组无线业务技术第53页/共58页54分色镜CMOS彩色视觉传感器A/D转换器DSP数字信号处理器存储卡手机电路显示器镜头景物发送RGB按键彩信手机相机模组组成框图 第54页/共58页55计算机摄像头 现在许多计算机都配置有计算机摄像头，可用于现场摄像和网络传输。目前，计算机摄像头 属于对影像品质要求不是很 严格的摄像头产品，一般采 用CMOSCMO
24、S传感器制造。计算机 摄像头的外形如图所示。第55页/共58页56计算机摄像头的参数指标 型号举例：6008-13 CMOS6008-13 CMOS视觉传感器 视像解像度：640(640(水平)480(480(垂直)像素 捕获幅面：640640480 352480 352288 320288 320240 240 最大帧数 （FPSFPS）：30 30 输出格式：RGB24 RGB24 输出接口：USB USB 帧率：CIFCIF格式3030帧/秒,VGA,VGA格式1515帧/秒 调焦范围：3cm 3cm 至极远 摄像头控制：色彩饱和度,对比度,边缘增强,伽码表可调 白平衡：自动 增益控制：自动 视野深度：6060毫米到无限远 兼容性：遵守USBUSB标准1.0,1.0,即插即用和自动电源控制软件兼容性：TWAIN TWAIN 驱动程序,Win98,WindowsMe,Win98,WindowsMe,Windows 2000,WinXP Windows 2000,WinXP 第56页/共58页57计算机摄像头的使用第57页/共58页58感谢您的观看！第58页/共58页