三分鐘教你快速選擇機器視覺傳感器

　　目前，如何選擇機器視覺傳感器在當(dāng)代的應(yīng)用可謂是越來越廣泛，如何選擇機器視覺傳感器是值得我們好好學(xué)習(xí)的，現(xiàn)在我們就深入了解如何選擇機器視覺傳感器。

　　相機是機器視覺系統(tǒng)的眼睛，而相機的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺系統(tǒng)的成本以及對應(yīng)用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

　　大多數(shù)的機器視覺系統(tǒng)的用戶認識到相機是系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當(dāng)作視覺系統(tǒng)的“芯片”。相機本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)：包括鏡頭、信號處理器、通訊接口，以及最核心的部分——把光子轉(zhuǎn)換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來支持相機的功能，傳感器最終決定相機的最高性能。

　　業(yè)內(nèi)的許多討論都集中在加工技術(shù)上，以及CMOS和CCD傳感器孰優(yōu)孰劣。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢和不足之處，所加工的傳感器有著不同的性能。最終用戶關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來的，而是其在最終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

　　在指定的應(yīng)用中，三個關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度。動態(tài)范圍決定系統(tǒng)能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱作對細節(jié)的體現(xiàn)能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少張圖像和系統(tǒng)能夠接收到的圖像的輸出量。響應(yīng)度指的是傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率，它決定系統(tǒng)需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設(shè)計共同決定上述特征，因此系統(tǒng)開發(fā)人員在選擇傳感器時必須有自己的衡量標(biāo)準，詳細的研究這些特征，將有助于做出正確的判斷。

　　正確理解動態(tài)范圍

　　傳感器的動態(tài)范圍是最容易使人疑惑和誤解的地方，這是因為機器視覺系統(tǒng)是數(shù)字的。圖像的動態(tài)范圍包括兩部分：一是傳感器能夠工作的曝光范圍（亮度的倍數(shù)）；其次是傳感器能夠數(shù)字化像素信號的電平的數(shù)量，用位數(shù)表示。這兩部分通常是緊密相關(guān)的。

　　曝光的動態(tài)范圍表示傳感器能夠正常工作的亮度水平。當(dāng)光子撞擊圖像傳感器的活動像素區(qū)域時產(chǎn)生電子，傳感器將其捕獲并存儲起來以備系統(tǒng)讀取。撞擊活動區(qū)域的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的電子數(shù)就越多，在讀取的間隔中，該過程持續(xù)的時間越長，被存儲的電子就越多。決定傳感器曝光動態(tài)范圍的參數(shù)之一就是填充存儲阱的曝光。制造傳感器的半導(dǎo)體加工工藝和電路設(shè)計共同決定阱的容量或深度。

　　電子噪音是傳感器能夠工作的最低曝光水平，盡管沒有任何光子撞擊活動的像素區(qū)域，圖像傳感器也將以熱量發(fā)射的形式產(chǎn)生電子。要產(chǎn)生可識別的信號，必須有足夠的光子撞擊活動的像素區(qū)域，以便在存儲阱中有比暗電流噪音所產(chǎn)生的電子數(shù)更多的電子。傳感器的最低曝光率是產(chǎn)生至少與噪音電子同樣多的光電子數(shù)。只有在超過噪音等量的曝光水平時，傳感器才能產(chǎn)生有用的信息。

　　傳感器的曝光動態(tài)范圍是由其物理和電路設(shè)計所決定的功能，而數(shù)字動態(tài)范圍只是由電路設(shè)計所決定的功能。圖像傳感器的數(shù)字動態(tài)范圍只是說明它能夠提供給視覺系統(tǒng)的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個灰度級，10位的有1024個，以此類推。表示動態(tài)范圍的位數(shù)并不是反映傳感器能夠響應(yīng)的最高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對應(yīng)的。

　　比暗電流噪音水平小的等量的信號度不能產(chǎn)生有用的信息，類似地，如果數(shù)字化值大于傳感器的最大信號值，也不會產(chǎn)生額外的信息。在實踐中，傳感器需要設(shè)計成等量信號度與暗電流噪音水平等值，并有足夠信號步進度達到飽和的曝光信號水平。按此方式設(shè)計，傳感器的數(shù)字動態(tài)范圍與其曝光動態(tài)范圍說明的是同一事物：飽和等量曝光與噪音等量曝光的比率。

　　交互作用決定取舍

　　傳感器的動態(tài)范圍一定程度上決定機器視覺系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，位數(shù)越高，系統(tǒng)能夠分辨的圖像的細節(jié)就越細微。對更低的暗電流噪音和高精度的需求的日益提高，使傳感器的成本變得越來越昂貴。然而，不是所有的應(yīng)用都需要精細的圖像。因此，設(shè)計師們設(shè)計了不同動態(tài)范圍的傳感器供選擇。例如，郵包分揀或電子生產(chǎn)檢查，8位的動態(tài)范圍就可以有效地工作。但是，醫(yī)療和空中偵察就需要14位的動態(tài)范圍。

　　應(yīng)用需求還對傳感器的第二項特征速度提出了要求

　　速度是比動態(tài)范圍更直觀的特征，它只是衡量傳感器采集和傳送圖像到系統(tǒng)的速度有多快。傳感器的速度也包括兩個方面：一個是幀頻，也就是傳感器傳送像素數(shù)據(jù)到系統(tǒng)所需要的時間。另外就是傳感器為了采集一幅有用的圖像所需的曝光時間。幀頻永遠都不會比曝光時間快，因此幀頻是用來說明傳感器性能的通用量值。

　　在加工檢查類的應(yīng)用中，傳感器的速度決定系統(tǒng)的輸出。如果每一幅圖像代表待檢的一個零件，那么系統(tǒng)每秒能夠檢查的零件數(shù)量不會高于傳感器每秒能夠發(fā)送的幀數(shù)。當(dāng)成像的物體處于運動狀態(tài)時，為防止出現(xiàn)圖像模糊，必須要求高的采集速度。因此對于高輸出量的檢測系統(tǒng)和對高速運動物體的成像應(yīng)用需要高速的傳感器。

　　速度和動態(tài)范圍是相互關(guān)聯(lián)的，為了快速地傳送圖像，傳感器必須快速地對每一個像素的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化。這就意味著模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器需要快速地形成一個穩(wěn)定的輸出。

　　從物理層面和設(shè)計角度上講，速度應(yīng)該讓步于動態(tài)范圍。電路運行的速度越快，產(chǎn)生的熱量就越多。傳感器的暗電流噪音隨著溫度的增加而增加，因此傳感器的速度越高，其噪音就越大，動態(tài)范圍就越低。高速的傳感器比低速的傳感器的噪音更大，而且能提供的動態(tài)范圍更低。

　　傳感器的速度與其第三項特征響應(yīng)度也是相關(guān)聯(lián)的

　　應(yīng)用中所需的幀頻越高，用于曝光的時間就越少。為了減少曝光時間，設(shè)計師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應(yīng)度的傳感器。

　　響應(yīng)度是指在給定的曝光條件下，所產(chǎn)生的信號的強度（V）。在圖像傳感器中，有三個因素控制響應(yīng)度：第一是量子的效率，或者說是每個光子所產(chǎn)生的電子的數(shù)量。第二個要素是存儲電荷（q）的傳感器輸出電路的電容（C）的大小，電荷的信號電壓公式是V=q/C。第三個要素是傳感器的輸出放大器增益。如果傳感器在與噪音等量的曝光水平下運行時，增益本身并不能提高傳感器的響應(yīng)度。

　　開發(fā)人員在為他們的機器視覺系統(tǒng)選購傳感器時，必須在動態(tài)范圍，速度和響應(yīng)度這三個關(guān)鍵要素之間做出取舍。高速度和低光照度將導(dǎo)致噪音增加并降低動態(tài)范圍。在動態(tài)范圍允許的情況下，對成像細節(jié)的高要求也需要提高光照強度以彌補較低的響應(yīng)度。傳感器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項關(guān)鍵要素之間做出平衡。

　　以上提到的三項關(guān)鍵要素并不是構(gòu)成傳感器選擇的唯一考量，另外還有兩項重要的因素：傳感器的分辨率和像素間距，其中任何一項都能夠影響圖像的質(zhì)量，并且與上述三項關(guān)鍵要素相互作用。

　　分辨率是指由多少個像素構(gòu)成一幅圖像，它是反映傳感器尺寸和像素間距的量值。應(yīng)用所需要的傳感器的分辨率決定于幾項相關(guān)的要素：包括視野、工作距離、傳感器大小和像素間距以及系統(tǒng)所要求的采集空間細節(jié)所需的像素的數(shù)量等。傳感器的分辨率越高，其時鐘必須運行得越快，以獲得需要的幀頻。因此，傳感器的分辨率對速度有非常大的影響。

　　像素間距定義單個像素區(qū)域的大小，與傳感器的大小共同作用來決定傳感器的分辨率。由于傳感器通常只有有限的大小可選，所以像素的間距越小，其分辨率就越高。像素間距能夠影響響應(yīng)度，但是間距越小，每個像素能夠采集光子的活動區(qū)域就越小。

　　最終，所有這些傳感器的要素都要與相機的其它部件相互影響。相機鏡頭的分辨率是通過調(diào)制解調(diào)函數(shù)（MTF）來衡量的，例如，鏡頭的分辨率必須與傳感器的像素間距相匹配，才能獲得理想的成像質(zhì)量。在傳感器分辨率允許的范圍內(nèi)，一個5微米MTF的鏡頭在3微米的像素間距的傳感器上所成的黑白線模式只能形成灰色的圖像。因此，在選購傳感器時必須采購與之匹配的其它系統(tǒng)部件。

　　最重要的一點是要充分理解應(yīng)用對傳感器動態(tài)范圍、速度和響應(yīng)度的需求。需求決定哪些性能是在可接受的范圍之內(nèi)，最終決定系統(tǒng)的其它部件的要求。