数字相机和模拟相机.docVIP

数字相机还是模拟相机？ ? ??? 在设计工业机器视觉系统时，使用数字相机还是模拟相机是最重要的决定之一。二者各有其优缺点，但归根结底要根据成本和一些关键操作因素来选择。如果考虑了这些因素，哪一项技术更有优势就会明朗化了。 ? 机器视觉基础 ??? 机器视觉被应用于自动质量检验、工艺控制、参数测量和自动组装等等许多领域。在这些系统中，相机是决定着成本、速度和精度的关键组件。模拟相机和数字相机 都可以用在这些系统中，而了解相机的性能规格及其在各种视觉任务中的重要性，对于把机器视觉付诸工业控制是最基本的一步。 ??? 机器视觉系统包括三个主要部分：相机、采集卡和存储并分析图像以提取信息的计算机（或图像处理器）。图像处理器和采集卡属于相对容易选择的电子装置，它们的主要参数是存储能力和处理速度。 ??? 相机是这些系统中情况最为复杂的部分。现代的模拟和数字相机采用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片来捕获图像并生成电子信号发送给计算机进行处理。 ??????? CCD和CMOS成像器由一系列方形光电池组成，它们将收集到的光子转化为电子，并将生成的电荷积蓄起来。在CCD中，当从芯片中每次读取一个像素时，电荷被转换成电压；而在CMOS中，每个光敏器件旁边的电路将光能转化成电压。 ??? 二者在图像质量上没有明显的优劣之分。基于CMOS的相机需要的部件较少，电耗较低，提供数据的速度也比基于CCD的相机快； 但CCD则是更为成熟的技术，能够以较低的噪声提供质量更好的图像，而弱点是数据传输速度较慢，不太灵活，部件较多和电耗较高。 ? 信号精度 ??????? CCD和CMOS芯片在内部都生成模拟信号，因此，模拟相机和数字相机之间的主要区别在于图像是在哪里被数字化的。数字相机在相机里将信号数字化，并且通过串行总线接口（比如FireWire, USB, Camera Link, Gigabit Ethernet）将信号以数字方式传输给计算机（或图像处理器）。而在另一方面，模拟相机系统并不是在其内部将图像信号数字化（数字化是由计算机完成的），所以，模拟信息是通过同轴电缆而进行传输的。 ??? 尽管两种方法都能够有效地传输信号，但模拟信号可能会由于工厂内其他设备（比如电动机或高压电缆）的电磁干扰而造成失真。随着噪声水平的提高，模拟相机的动态范围（原始信号与噪声之比）会降低。动态范围决定了有多少信息能够被从相机传输给计算机。 ??? 数字信号不受电噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。数字相机的典型动态范围在55分贝到60分贝之间，而模拟相机则为45分贝到50分贝左右。 ??? 所用电缆的长度和类型也影响着信号的精度。模拟相机的电缆简单而且便宜，在电噪声导致信号严重失真之前能够将信号可靠地300米以上。由于数字相机传输的是高带宽信号，电缆的长度受电缆中信号良师衰减（损失）水平的限制。根据使用的通信协议的不同，电缆的典型长度如下： FireWire： 大约10米到20米 USB： 大约10米到 20米 Camera Link： 大约10米 ??? 现在，市场上有了采用千兆位以太网标准电缆的新系统。这些电缆能够将数字图像数据传输100米左右而不发生损失。 ? 分辨率和捕获速度 ??? 分辨率是描述相机性能的重要参数之一，它包括两个方面： 阵列中传感单元或称像素的数量 每个传感单元的大小 ??? 模拟相机通常是基于视频图形阵列（VGA）成像格式，分辨率被限制在大约640×480像素。这只是机器视觉系统要求的下限。而在另一方面，数字相机能够达到80兆像素甚至更高。模拟相机和数字相机典型的像素大小在3微米到20微米范围内。 ??? 第二个重要参数是帧速，或者说相机连续提供图像的速度。帧速越高，在给定时间内能够完成的检验、测量或识别工作就越多。像素数和帧速之间存在着相互影响， 所以，相机的像素数越多，其帧速越低。但是，这并非是一成不变的规则，因为尺寸越小的半导体转换速度通常就越快，所以像素数相同的两台相机可能具有差别很 大的帧速。 ??????? 640×480像素模拟相机的典型帧速为每秒30帧，而分辨率为2兆像素（1600×1200像素）的数字相机能够达到相同的帧速。16兆像素的数字相机帧速约为每秒3帧。 ??? 另外，相机传感器可采用多端口设计，将图像分解成片段以同时读出。还可以在软件的控制下只读取图像中“感兴趣”的部位而不是读取全部传感器阵列，同样能够缩短传输时间。 ? 其他因素 ??? 除了分辨率和帧速，其他重要的设计因素还包括动态范围和灵敏度。 ??? 动态范围或图像每个像素的字节数决定着采集卡需要的存储容量以及图像处理器需要的算法精度。它也影响着传感器的曝光宽容度。每像素只有几个字节的相机