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探析機器視覺傳感器未來趨勢

 傳感器的動態范圍一定程度上決定機器視覺系統所產生的圖像質量,位數越高,系統能夠分辨的圖像的細節就越細微。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。

  機器視覺傳感器是整個機器視覺系統信息的直接來源,它的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺系統的成本以及對應用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開發人員迅速縮小他們的查找范圍,找到合適的傳感器。
 
  大多數的機器視覺系統的用戶認識到相機是系統的關鍵要素,經常把它當作視覺系統的芯片。相機本身是一個復雜的系統: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。
 
  業內的許多討論都集中在加工技術上,以及CMOS和CCD傳感器孰優孰劣。這兩種技術都有其優勢和不足之處,所加工的傳感器有著不同的性能。最終用戶關心的不是傳感器是如何被制造出來的,而是其在最終應用中的表現。
 
  在指定的應用中,三個關鍵的要素決定了傳感器的選擇:動態范圍、速度和響應度。動態范圍決定系統能夠抓取的圖像的質量,也被稱作對細節的體現能力。傳感器的速度指的是每秒種傳感器能夠產生多少張圖像和系統能夠接收到的圖像的輸出量。響應度指的是傳感器將光子轉換為電子的效率,它決定系統需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術和設計共同決定上述特征,因此系統開發人員在選擇傳感器時必須有自己的衡量標準,詳細的研究這些特征將有助于做出正確的判斷。
 
  正確理解動態范圍
 
  傳感器的動態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是數字的。圖像的動態范圍包括兩部分:一是傳感器能夠工作的曝光范圍(亮度的倍數);其次是傳感器能夠數字化像素信號的電平的數量,用位數表示。這兩部分通常是緊密相關的。
 
  曝光的動態范圍表示傳感器能夠正常工作的亮度水平。當光子撞擊圖像傳感器的活動像素區域時產生電子,傳感器將其捕獲并存儲起來以備系統讀取。撞擊活動區域的光子數越多,產生的電子數就越多,在讀取的間隔中,該過程持續的時間越長,被存儲的電子就越多。決定傳感器曝光動態范圍的參數之一就是填充存儲阱的曝光。制造傳感器的半導體加工工藝和電路設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域,圖像傳感器也將以熱量發射的形式產生電子。要產生可識別的信號,必須有足夠的光子撞擊活動的像素區域,以便在存儲阱中有比暗電流噪音所產生的電子數更多的電子。傳感器的最低曝光率是產生至少與噪音電子同樣多的光電子數。只有在超過噪音等量的曝光水平時,傳感器才能產生有用的信息。
 
  傳感器的曝光動態范圍是由其物理和電路設計所決定的功能,而數字動態范圍只是由電路設計所決定的功能。圖像傳感器的數字動態范圍只是說明它能夠提供給視覺系統的明顯的曝光值。8位的傳感器有256個灰度級,10位的有1024個,以此類推。表示動態范圍的位數并不是反映傳感器能夠響應的最高曝光的必須要素,但是這兩者通常是相對應的。
 
  比暗電流噪音水平小的等量的信號度不能產生有用的信息,類似地,如果數字化值大于傳感器的最大信號值,也不會產生額外的信息。在實踐中,傳感器需要設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。按此方式設計,傳感器的數字動態范圍與其曝光動態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。
今天是: 2021年1月14日   星期四 友情鏈接: 合作伙伴:
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