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成像电子元件101:基本数字相机设置知识,改善您的成像效果
爱特蒙特光学有限公司。

成像电子元件101:基本数字相机设置知识,改善您的成像效果

Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications

模拟相机相比,数字相机可让用户通过采集软件调整相机设置,是更为灵活的选择。在某些情况下,用户可通过双列直插式封装(DIP)开关,或RS-232连接等硬件来调整模拟相机的设置。然而,使用软件对设置进行更改所带来的灵活性却大大地提高了图像质量、速度以及对比度,而这也就代表您因此绝不会再错过任何一种缺陷。许多的数字相机都备有机载现场可编程门阵列(FPGA)以执行数字信号处理和各式各样的相机功能。FPGA主要负责处理许多许多的数字相机内部功能,并且也为镶嵌滤光片执行彩色内插法、及为智能相机进行简单的图像处理。相机固件包含了FPGA以及机载内存,偶尔用户将需要安装固件更新,添加或改善现有功能。数字相机的机载内存让用户能够储存设置和查找表、可缓冲高传输率,并可使用以太网交换机连网多台相机。最为常见的数字相机设置包括了增益、伽玛、感兴趣区域、像素混合/子采样、像素时脉、偏移,以及触发。深入了解这些基本设置将帮助您于一广泛系列的应用获得最佳效果。

增益

增益是控制相机传感器的信号放大器的一种数字相机设置。请注意,此设置将放大整个信号,并也将放大任何相关的背景噪声。许多相机均备有自动增益、或AGC。有一些相机可让用户关闭这个设置,或手动进行设置。

用户可以在经过模拟数字转换器(ADC)处理之前或之后设置增益。不过,任何在经过ADC处理之后的增益皆为数字增益而不可为实际增益。数字增益使用查找表将数字值映射到其他值上,因此将在过程中失去一些信息。

在经过ADC处理之前进行的增益,可以在相机处于低光线的情况下,充分利用相机的位深度,虽然足够的光线是最为理想情况。增益也可以用作确保多抽头传感器的抽头相符。欲详细了解传感器的抽头,请参阅成像电子元件101:相机分辨率,改善您的成像系统性能。一般而言,您应该在优化曝光设置之后再设置增益,也就是说,按照特定的帧速率设置最大的曝光时间之后。您可以对比图1a、1b、2a和2b清楚了解图像增益之后的效果。

Real-World Image without Gain
图1a:真实世界的图像,无增益、AGC = 0、伽玛 = 1、8MHz像素时脉、0.2ms曝光
Close-Up of Image without Gain
图1b: 图像特写,AGC = 0、伽玛 = 1、8MHz像素时脉、0.2ms曝光

 

Real-World Image with High Gain
图2a: 真实世界的图像,高增益、AGC = 100、伽玛 = 1、8MHz像素时脉、3.4ms曝光
Close-Up of Image with High Gain
图2b: 图像特写,AGC = 100、伽玛 = 1、8MHz像素时脉、3.4ms曝光

 

伽玛

伽玛是控制图像灰度的一种数字相机设置。伽玛为1的图像(图3a - 3b)代表相机传感器正精确地再现物体的灰度(线性响应)。伽玛大于1的设置所生成的图像将是完全黑白的,并仅看得清楚原图像的轮廓(图4a – 4b)。请注意,图4b中的对比度比图3b的要明显减少了。伽玛功能可以理解成将图像校正至像素动态范围黑白两极的一种能力·。这样的控制功能通常都使用在信号处理的应用方面,以提高信噪比(SNR)。

Real-World Image with Gamma Equal to Unity
图3a: 真实世界的图像,伽玛等于1(伽玛 = 1),10MHz像素时脉、5ms曝光
Close-Up of Image with Gamma Equal to Unity
图3b: 图像特写,伽玛等于1(伽玛 = 1)、10MHz像素时脉、5ms曝光

 

Real-World Image with Gamma Greater than Unity
图4a: 真实世界的图像,伽玛大于1(伽玛 = 2)、10MHz像素时脉、5ms曝光
Close-Up of Image with Gamma Greater than Unity
图4b: 图像特写,伽玛大于1(伽玛 = 2)、10MHz像素时脉、5ms曝光

 

感兴趣区域

感兴趣区域是一种数字相机设置,可以是软件或机载设置,可允许针对每个视场读出相机传感器阵列的子集。这将有助于把视场(FOV)或分辨率降至最低所需值,以减少传输的数据量,从而提高可实现的帧速率。可以为整体视场的这个子集保留以奈奎斯特频率或空间采样频率计算的全分辨率。例如,一个494 x 494的正方视场可能包含了特定帧速率的所有有用信息,您可以使用这个视场而同时节省带宽。欲了解更多有关奈奎斯特频率的信息,请参阅成像电子元件101:适用于机器视觉应用的相机类型和接口

像素混合/二次采样

使用像素混合/二次采样时,最好提供完整的视场,不过不一定要求提供全相机分辨率。在这个情况下,可以将相邻像素的灰度平均开来,形成较大较有效的像素,或在每两个像素中只读出一个像素。像素混合或子采样可以通过降低传输的数据量而加快传输率。

像素混合仅用于CCD传感器,将相邻像素的电荷按照物理方式加在一起,提高有效曝光以及灵敏度。而子采样通常指的是CMOS传感器内的功能,当CMOS传感器不能进行像素混合时,子采样亦无法提高曝光以及灵敏度。当应用需要低分辨率和高传输率,而无需初始曝光的时候,子采样也可以取代像素混合功能与CCD传感器结合使用。欲了解更深入详细的传感器信息,请参阅成像电子元件101:了解适用于机器视觉应用的相机传感器

Illustration of Camera Pixel Binning or Subsampling
图5:相机像素混合或子采样说明

像素时脉

像素时脉在CCD相机传感器内的作用就是显示互补信号的速度,互补信号能通过移位寄存器,将电荷包移向读出放大器。它能确定读出整个传感器所需的时间,不过,因电荷包的传输太过快速进而产生的噪声和溢出问题将限制这个所需的时间。例如,两个备有完全相同传感器的相机可能会使用不同的像素时脉率,因此,它们会获得不同的饱和容量(线性范围)以及帧速率。这个设置通常不提供给用户进行调整,并一般被设置为优化于传感器本身和FPGA能力的一个特定优化值。一直提高像素时脉以致传感器超频也有可能会引起热问题。

偏移

偏移指的是视频或图像信号中的DC组件,能有效设置图像的黑电平。黑电平就是当像素值为零的时候,(以电子或伏特计算的)像素级。这个功能往往与直方图一起使用,确保用户可充分利用相机的位深度,有效提高信噪比。我们可以将非黑像素的暗电平降为零,虽然这将无法改善数据,但可以亮化图像。偏移功能是一个简单的机器视觉图像处理技巧,通过提高黑电平来亮化图像和有效地为图像色块检测创建阈值(将所有低于一特定值的像素设置为零,以突出某些特征)。

触发

依具体应用而言,有时在感兴趣的事件发生之时才让像素曝光或激活将能帮助用户手上的应用。在这种情况下,用户可使用数字相机的“触发”设置,让相机在收到命令之后才会进行图像采集。可以使用频闪光源来同步图像捕捉,或在物体经过某个特定定点或者开启一个接近开关时拍下图像。后者在用户需要存储图像以备之后查看的情况下特别有帮助。也可以在用户需要以非周期性方式捕捉一系列图像,例如使用固定的帧速率捕捉图像时使用触发设置。

用户可以选择使用软件或硬件设置触发。硬件触发是高精密应用的理想选择,因为软件触发的固有延迟时间(可能会高达好几毫秒)在高精密应用中是无法被接受的。软件触发通常较容易执行,因为它们都是通过正常通信链路发送的计算机命令,例如图像查看软件中的snap功能。

虽然我们还有许许多多未介绍的数字相机设置,最重要的,就是理解增益、伽玛、感兴趣区域、像素混合/子采样、像素时脉、偏移和触发这些设置的基础知识。以上的功能为需熟悉这些基本设置的高级图像处理技巧奠定了稳固的基础。欲了解更多关于成像电子元件的信息,请参阅我们成像电子元件101系列中的相机传感器相机分辨率,以及相机类型

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