工業(yè)相機(jī)原理主編：李紹麗，李德健，田野第5章工業(yè)相機(jī)的參數(shù)和工作模式5.1.基本參數(shù)5.2.工作模式第5章工業(yè)相機(jī)的參數(shù)和工作模式5.1.基本參數(shù)5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率5.1.2光學(xué)接口5.1.3刷新率和曝光5.1.4像素深度與像素格式5.1.5光譜響應(yīng)5.1.6可變?cè)鲆娣秶I(yè)相機(jī)原理CCD和CMOS有多種生產(chǎn)尺寸，常以英寸表示。最常見(jiàn)的傳感器的長(zhǎng)、寬及對(duì)角線列于表5.1-1。這種分類(lèi)是延續(xù)了當(dāng)電視機(jī)使用視頻攝像管（videocameratubes）時(shí)的分類(lèi)方法。這一尺寸是攝像管的外接圓直徑大小。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式1英寸

=

25.399999961392毫米圖5.1-11攝像管工業(yè)相機(jī)原理Size/inWidth/mmHeight/mmDiag./mmPitch/μm112.89.616202/38.86.61113.81/26.44.88101/34.83.667.51/43.22.445表5.1-1典型傳感器尺寸及640×480分辨率時(shí)對(duì)應(yīng)的像素間距CCD和CMOS有多種生產(chǎn)尺寸，常以英寸表示。最常見(jiàn)的傳感器的長(zhǎng)、寬及對(duì)角線列于表5.1-1。這種分類(lèi)是延續(xù)了當(dāng)電視機(jī)使用視頻攝像管（videocameratubes）時(shí)的分類(lèi)方法。這一尺寸是攝像管的外接圓直徑大小。攝像管有效的像平面大約是這一尺寸的2/3，因此表5.1-1中傳感器對(duì)角線的尺寸大約是傳感器標(biāo)稱(chēng)尺寸（表中第一列）的2/3。有個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以記住這些數(shù)據(jù)，就是傳感器的寬度大約是傳感器標(biāo)稱(chēng)尺寸的一半。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理Size/inWidth/mmHeight/mmDiag./mmPitch/μm112.89.616202/38.86.61113.81/26.44.88101/34.83.667.51/43.22.445表5.1-1典型傳感器尺寸及640×480分辨率時(shí)對(duì)應(yīng)的像素間距表5.1-1還表示了對(duì)于640*480圖像大小時(shí)像素間距。當(dāng)傳感器分辨率提高，像素間距就會(huì)相應(yīng)減小。比如當(dāng)圖像尺寸為1280*960時(shí)，像素間距減小一半。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理Size/inWidth/mmHeight/mmDiag./mmPitch/μm112.89.616202/38.86.61113.81/26.44.88101/34.83.667.51/43.22.445表5.1-1典型傳感器尺寸及640×480分辨率時(shí)對(duì)應(yīng)的像素間距CCD和CMOS傳感器可產(chǎn)生出不同分辨率，從640*480至4008*2672及更高。通常情況下都是符合某種模擬視頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，如RS-170:640*480,CCIR:768*576或符合某種計(jì)算機(jī)顯卡的分辨率。如VGA：640*480，XGA：1024*480，SXGA:1280*1024,UXGA:1600*1200,QXGA:2048*1536等。線陣攝像機(jī)的分辨率從512到12888像素，將來(lái)還可能更高。一般情況下，傳感器分辨率越高幀率就會(huì)越低。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理靶面尺寸靶面尺寸通常指相機(jī)圖像傳感器的感光面積，一般用對(duì)角線的長(zhǎng)度來(lái)標(biāo)識(shí)，單位為英寸，工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，1英寸=16mm。靶面大小與成像質(zhì)量息息相關(guān)，通常情況下，當(dāng)像元尺寸等其他條件一定時(shí)，靶面越大，相機(jī)的分辨率越高，成像清晰度越好，5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理常見(jiàn)的相機(jī)靶面尺寸有：1/4”，1/3”，1/2.5”，1/2”，1/1.8”，2/3”，1”等，常見(jiàn)靶面尺寸如右圖：傳感器尺寸（靶面）：在像素不變的情況下,相機(jī)傳感器尺寸越大,噪點(diǎn)控制能力越強(qiáng)。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-2相機(jī)常用的靶面尺寸（單位:mm）傳感器尺寸與鏡頭尺寸的配合傳感器與鏡頭的配合包括兩個(gè)方面，一方面為傳感器尺寸與鏡頭成像靶面尺寸的配合；另一方面為傳感器所在相機(jī)的光學(xué)接口的尺寸與鏡頭接口尺寸的配合。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理傳感器尺寸與鏡頭成像靶面尺寸的匹配在選擇適配傳感器的鏡頭時(shí)，必須確保鏡頭的成像靶面與傳感器的尺寸相匹配，如圖5.1-3所示。這意味著鏡頭的靶面尺寸應(yīng)等同于或略大于傳感器的尺寸，以便最大化鏡頭的性能。如果鏡頭的靶面尺寸小于傳感器的尺寸，將導(dǎo)致傳感器邊緣區(qū)域無(wú)法接收到光線，造成傳感器有效面積及潛在分辨率的損失。例如，1/2英寸靶面的鏡頭不適宜用于2/3英寸的傳感器。圖5.1-3傳感器尺寸與鏡頭成像靶面尺寸的匹配5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.1傳感器尺寸的定義與表示方式工業(yè)相機(jī)原理感光元件上的基本感光單元，即相機(jī)識(shí)別的圖像上的最小單元。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.2像元與像素工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-4像元與像素像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個(gè)像元的實(shí)際物理尺寸，通常情況下，芯片的像元尺寸越大，單個(gè)像元能夠接收到的光子就越多，該芯片的感光性能也就越強(qiáng)。在同樣的光照條件和曝光時(shí)間下，大像元尺寸的芯片可以產(chǎn)生更多的電荷數(shù)量，可以使得圖像的亮度更高。常見(jiàn)尺寸如14μm、10μm、9μm、7μm、6.45μm、5μm、3.5μm等。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.2像元與像素工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-5傳感器上的像元陣列一般來(lái)說(shuō)，像元尺寸越小、工藝制造難度越大。像元尺寸從某種程度上反映了芯片對(duì)光的響應(yīng)能力。像元尺寸越大，能接收到的光子數(shù)量越多，在同等光照條件和同等曝光時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對(duì)于弱光成像場(chǎng)景，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了攝像頭靶面的大小。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.2像元與像素工業(yè)相機(jī)原理像元尺寸與相機(jī)其它性能參數(shù)的關(guān)系像元尺寸就是每個(gè)像素的面積，一般單位μm。比如30萬(wàn)相機(jī)的相元尺寸為5.6μm×5.6μm單個(gè)像素面積越小，單位面積內(nèi)的像素?cái)?shù)量越多，相機(jī)的分辨率增加，利于小缺陷的成像和檢測(cè)，增大小缺陷區(qū)域的像素?cái)?shù)量。隨著像素面積的變小，滿(mǎn)阱能力（每個(gè)像素能夠儲(chǔ)存的電荷數(shù)量）也隨之減小，造成相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍的降低。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.2像元與像素工業(yè)相機(jī)原理

分辨率分辨率是攝像頭每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)(Pixels)；相機(jī)的分辨率是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：2592（H）x

1944(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有2592個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1944行，這就是我們常說(shuō)的500萬(wàn)像素的相機(jī)。也以像素個(gè)數(shù)表示，如500萬(wàn)像素，1000萬(wàn)像素。目前海康機(jī)器人工業(yè)面陣相機(jī)涵蓋從0.3MP到604MP級(jí)別的分辨率。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.3分辨率工業(yè)相機(jī)原理對(duì)于線陣相機(jī)而言，如上章節(jié)所提到，其像元排布與面陣相機(jī)不同，芯片排布以橫向?yàn)橹?，縱向?yàn)閱涡谢驍?shù)行，?？禉C(jī)器人工業(yè)線陣相機(jī)包含2k，4k、8k以及16k分辨率，能夠滿(mǎn)足多樣化的市場(chǎng)需求。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.3分辨率工業(yè)相機(jī)原理分辨率是工業(yè)相機(jī)最關(guān)鍵的參數(shù)之一，主要用于描述相機(jī)對(duì)被攝物的分辨能力。分辨率影響采集圖像的質(zhì)量，在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯.5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.3分辨率工業(yè)相機(jī)原理30萬(wàn)像素130萬(wàn)像素200萬(wàn)像素500萬(wàn)像素1000萬(wàn)像素2000萬(wàn)像素656（H）×492（V）1292（H）×964（V）1628（H）×1236（V）2592（H）×1944（V）3840（H）×2748（V）5120（H）×3840（V）視野（FOV）

視野通常叫場(chǎng)景（視場(chǎng)），場(chǎng)景就是相機(jī)所能看到的現(xiàn)實(shí)世界的物理部分。視場(chǎng)，即相機(jī)捕獲圖像所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的物理尺寸。5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.3分辨率工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-7相機(jī)的視場(chǎng)5.1.1傳感器尺寸、像元與分辨率——5.1.1.3分辨率工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-8視野、像素、分辨率在成像過(guò)程中的關(guān)系5.1.2光學(xué)接口（2）相機(jī)接口尺寸與鏡頭接口尺寸的匹配工業(yè)相機(jī)與鏡頭之間的接口稱(chēng)為光學(xué)接口，光學(xué)接口的尺寸是有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的，一般有C口，CS口，M12口，M42口，F(xiàn)口，M58口，M72口等。光學(xué)接口有兩種機(jī)械操作方式，分別為卡口和螺口?？诜绞接糜贔口；螺口方式用于C口、CS口和S口。工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-9光學(xué)接口及其參數(shù)（2）相機(jī)接口尺寸與鏡頭接口尺寸的匹配如圖5.1-9，相機(jī)安裝面到傳感器的光學(xué)距離稱(chēng)為法蘭距，不同的接口有不同的法蘭距標(biāo)準(zhǔn)。不同光學(xué)接口的物理尺寸不同。只有當(dāng)傳感器所在相機(jī)的光學(xué)接口與鏡頭接口一致時(shí)，兩者才能裝配起來(lái)。表5.1-3給出了常見(jiàn)的不同光學(xué)接口的參數(shù)。5.1.2光學(xué)接口工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-9光學(xué)接口及其參數(shù)表中，UNF是統(tǒng)一螺紋細(xì)牙代號(hào)，一般用于高強(qiáng)度螺紋緊固件。例如，“3/8-24UNF-2A”，表示公稱(chēng)直徑3/8英寸，每英寸24個(gè)牙，公差等級(jí)為2A精度的細(xì)牙外螺紋。又如“3/8-24UNF-2B”，表示公稱(chēng)直徑3/8英寸，每英寸24個(gè)牙，公差等級(jí)為2B精度的細(xì)牙內(nèi)螺紋。與UNF類(lèi)似的口徑、螺紋代號(hào)還有UN和UNC。UN為統(tǒng)一螺紋代號(hào)，是美制螺紋。UNC是統(tǒng)一螺紋粗牙代號(hào)，一般用于大量生產(chǎn)的緊固件。那么以表中C口為例，“1-32UNF”表示公稱(chēng)直徑為1英寸，每英寸32個(gè)牙的螺紋。5.1.2光學(xué)接口工業(yè)相機(jī)原理接口類(lèi)型法蘭距口徑及螺紋C口17.526mm1-32UNFCS口12.5mm1-32UNFF口46.5mm內(nèi)徑47mmM12/M42/M58/M72無(wú)固定標(biāo)準(zhǔn)M12*P0.5/M42*P1.0/M58*P0.75/M72*P0.75表5.1-3不同光學(xué)接口參數(shù)C口多用于工業(yè)相機(jī)，是最常用的工業(yè)鏡頭接口。C口是相機(jī)鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)螺口連接方式。該螺紋的標(biāo)稱(chēng)直徑為1英寸(24.5mm)，其螺距為1/32英寸。此接口的法蘭距為17.526mm(0.69英寸)。CS口多用于監(jiān)控相機(jī)。CS口與C口相比只是其法蘭距不同，為12.526mm(0.493英寸）。CS口相機(jī)可通過(guò)使用一個(gè)5mm適配器（如圖5.1-10）來(lái)與C口鏡頭組合使用。圖5.1-10

C/CS轉(zhuǎn)接(5mm接圈)

5.1.2光學(xué)接口工業(yè)相機(jī)原理F口多用于單反相機(jī)及大靶面芯片尺寸或者線陣相機(jī)。F口也稱(chēng)為“F卡口”，是相機(jī)鏡頭的卡口連接方式，最初由Nikon推出，用于單反相機(jī)。F卡口的法蘭距為46.5mm，此連接方式適合匹配4/3"芯片，這種芯片對(duì)于C口來(lái)說(shuō)則尺寸過(guò)大。M12口也稱(chēng)S口，常用于板集相機(jī)，螺紋為M12×0.5mm，即其直徑僅12mm，主要用于將非常小的鏡頭裝接到相機(jī)上，它們適用于小型芯片（小于1/2")。M42口多用于大靶面的工業(yè)相機(jī)。5.1.2光學(xué)接口工業(yè)相機(jī)原理幀率/行頻（刷新率）幀率/行頻指相機(jī)采集和傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)來(lái)說(shuō)，一般用每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），即幀率來(lái)表征；而線陣相機(jī)機(jī)通常用每秒采集的行數(shù)（單位Hz），即行頻來(lái)衡量。相機(jī)幀率/行頻的選擇取決于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拍攝速率的要求，并非越高越好。幀率/行頻很大程度上受限于相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口和硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.1刷新率工業(yè)相機(jī)原理由于人類(lèi)眼睛的特殊生理結(jié)構(gòu)，如果所看畫(huà)面之幀率高于16fps的時(shí)候，就會(huì)認(rèn)為是連貫的，此現(xiàn)象稱(chēng)之為視覺(jué)暫留。這也就是為什么電影膠片是一格一格拍攝出來(lái)，然后快速播放的。線性相機(jī)通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。通常面陣相機(jī)用幀率表示，單位fps（Frame

PerSecond），它是用于測(cè)量顯示幀數(shù)的量度。所謂的測(cè)量單位為每秒顯示幀數(shù)(Frames

per

Second)，簡(jiǎn)稱(chēng)：FPS或“赫茲”（Hz）。如30fps,表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集

30幀圖像；通常相機(jī)的幀率/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.1刷新率工業(yè)相機(jī)原理輸出幀率：實(shí)際需要或使用的幀率需要的幀率決定于你的檢測(cè)要求，幀率必須大于等于檢測(cè)的頻率。例如：實(shí)時(shí)監(jiān)控或觀察：輸出幀率>25fps自動(dòng)檢測(cè)：輸出幀率>每秒鐘檢測(cè)工件的個(gè)數(shù)高速記錄和檢測(cè)場(chǎng)合需要更高的輸出幀率（電弧形狀、乒乓球軌跡）最大行頻：是指線陣相機(jī)每秒鐘能夠輸出的最大行數(shù)。最大幀率：指面陣相機(jī)每秒鐘能夠采集并輸出的最大幀數(shù)。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.1刷新率工業(yè)相機(jī)原理曝光時(shí)間曝光時(shí)間即為像元感光的時(shí)間，也稱(chēng)為快門(mén)時(shí)間。在相同外部條件下，曝光時(shí)間越長(zhǎng)，圖像亮度越高，但相應(yīng)的幀率/行頻會(huì)降低。不同的相機(jī)曝光上下限不同。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.2曝光時(shí)間工業(yè)相機(jī)原理關(guān)于相機(jī)曝光的常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)或場(chǎng)景：Timed：設(shè)置固定曝光時(shí)間TriggerWidth：以外部觸發(fā)信號(hào)的脈寬作為曝光時(shí)間精準(zhǔn)曝光：傳統(tǒng)的相機(jī)曝光模式（如卷簾曝光）是按行進(jìn)行累加迭進(jìn)的，設(shè)置曝光20us≠實(shí)際每個(gè)像素曝光20us。精準(zhǔn)曝光（全局曝光），設(shè)置20us曝光，實(shí)際曝光20us。超短曝光：在一些飛拍應(yīng)用中，曝光不夠短會(huì)導(dǎo)致圖像拖影，因此需要工業(yè)相機(jī)具備在極短的曝光時(shí)間內(nèi)成像的特性。1us超短曝光5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.2曝光時(shí)間工業(yè)相機(jī)原理問(wèn)題：選擇了全幀快門(mén)或者行間轉(zhuǎn)移CCD就可以抓拍運(yùn)動(dòng)物體？運(yùn)動(dòng)模糊：相機(jī)在抓拍運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)會(huì)由于積分效應(yīng)不可避免的產(chǎn)生不同程度運(yùn)動(dòng)模糊。（拖尾）準(zhǔn)則：在曝光時(shí)間△T內(nèi)，物體成的像在感光面上移動(dòng)的距離不超過(guò)一個(gè)像素。即清晰成像所需的最短曝光時(shí)間。關(guān)于相機(jī)曝光的常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)：最短曝光時(shí)間5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.2曝光時(shí)間工業(yè)相機(jī)原理例如：對(duì)100mm的物體，要求分辨精度到0.1mm，那么需要1000像素的分辨率，即每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)物體的物空間長(zhǎng)度是0.1mm；依據(jù)準(zhǔn)則，曝光時(shí)間△T內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的距離應(yīng)該不超過(guò)0.1mm，假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)的速度為V=1m/s，那么有：

V×Texp<0.1mm；

Texp<100us；（其中Texp表示曝光時(shí)間）簡(jiǎn)單計(jì)算公式：Texp<視野寬度/（圖像寬度×物體該方向移動(dòng)速度）或Texp<視野高度/（圖像高度×物體該方向移動(dòng)速度）關(guān)于相機(jī)曝光的常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)：最短曝光時(shí)間5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.2曝光時(shí)間工業(yè)相機(jī)原理關(guān)于相機(jī)曝光的常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)：曝光方式/快門(mén)方式（1）全局曝光：光圈打開(kāi)后整個(gè)芯片像元同時(shí)曝光（理論上最小的曝光時(shí)間）。（2）卷簾曝光：光圈打開(kāi)后芯片像元按順序逐行曝光（如果是移動(dòng)圖像則會(huì)出現(xiàn)模糊的影像）。?卷簾快門(mén)（Rolling

Shutter）：多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門(mén)，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時(shí)刻不一致。?全局快門(mén)（Global

Shutter）：CCD傳感器和越來(lái)越多的CMOS傳感器采用的快門(mén)，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.3曝光方式/快門(mén)方式工業(yè)相機(jī)原理快門(mén)速度（Shutter

Speed）快門(mén)速度就是控制曝光時(shí)間。傳統(tǒng)的照相機(jī)是通過(guò)機(jī)械快門(mén)對(duì)照射在底片上的光進(jìn)行遮光動(dòng)作實(shí)現(xiàn)曝光控制。在CCD或CMOS相機(jī)中是利用電子快門(mén)實(shí)現(xiàn)曝光控制。照射在傳感器上的光不斷發(fā)生光電轉(zhuǎn)換，電子快門(mén)的原理是只儲(chǔ)存一定曝光時(shí)間的信號(hào)電荷，然后進(jìn)行輸出。對(duì)于一般性能的的相機(jī)快門(mén)速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒，這個(gè)速度是可以設(shè)定的，時(shí)間與圖像亮度成正比。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.3曝光方式/快門(mén)方式工業(yè)相機(jī)原理相機(jī)的快門(mén)速度和曝光方式是決定圖像亮度和質(zhì)量的重要參數(shù)。曝光方式幀曝光和行曝光都是針對(duì)面陣相機(jī)而言的，一般只有CMOS的芯片分幀曝光和行曝光，幀曝光是整個(gè)芯片同時(shí)曝光，所以拍攝運(yùn)動(dòng)的物體不會(huì)產(chǎn)生變形；行曝光的芯片是一行一行曝光的，由于所有行不能同時(shí)曝光，所以拍攝運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生變形。拍攝靜止的物體兩者沒(méi)有差別。幀曝光和行曝光即為全局曝光和卷簾曝光。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.3曝光方式/快門(mén)方式工業(yè)相機(jī)原理（a）行曝光

（b）全局曝光圖5.1-12

行曝光與全局曝光拍攝運(yùn)動(dòng)物體效果的對(duì)比電子快門(mén)全局快門(mén)（GlobalShutter）：在曝光開(kāi)始的時(shí)候，傳感器開(kāi)始收集光線；在曝光結(jié)束的時(shí)候，光線收集電路被切斷，傳感器讀出值即為一副圖片。特點(diǎn)：傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。卷簾快門(mén)（RollingShutter）通過(guò)通斷電控制傳感器，使其不同部分在不同時(shí)間下對(duì)光的敏感度不同。逐行進(jìn)行曝光，直至所有像素點(diǎn)都被曝光。一般CMOS會(huì)采用卷簾快門(mén)方式。5.1.3刷新率和曝光——5.1.3.3曝光方式/快門(mén)方式工業(yè)相機(jī)原理像素深度/像素位深/圖像深度像素位深指指每個(gè)像素用多少比特位表示，即指單個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的為8Bit，一般工業(yè)相機(jī)還可提供10Bit、12Bit以及16Bit等。像素位深也被稱(chēng)為圖像深度，當(dāng)像素位深越大時(shí)，其表示單個(gè)像素的位數(shù)越大，它能表達(dá)的灰階范圍就越大，所顯示出的圖像深度就越深。而像素位深越大，所占用的存儲(chǔ)空間也就越大。因此，像素位深的選用需要視實(shí)際算法需求而定。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.1像素深度工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-1316bit與8bit位深對(duì)比黑白：Mono8/10/10Packed/12/12Packed/16彩色：Bayer8/10/10Packed/12/12Packed/16YUV422/YUV422PackedRGB8/BGR816bit8bit像素位深-》圖像/像素格式了解圖像格式，首先要了解圖像的常用屬性：像素(Pixel)：人眼直接感受到的圖像位圖(bitmap)：通過(guò)記錄每一個(gè)像素值來(lái)存儲(chǔ)和表達(dá)的圖像位深度：位圖中每個(gè)像素點(diǎn)用多少個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示bmp：Windows系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的位圖格式5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理Mono8像素格式：該像素在內(nèi)存中占用8Bits/Pixel，即灰度值最大為2^8-1=255；下圖左邊為一個(gè)3000*2000分辨率即600萬(wàn)像素的Mono8圖像，右邊為示意圖黑白像素位深/格式5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-14Mono8圖像格式該Mono8圖像第一行部分灰度值用十進(jìn)制表示0,36,73,109,146,182,219,255

二進(jìn)制表示為00000000；00100100；01001001；01101101；…；11111111，由此可見(jiàn),Mono8就是每個(gè)像素在內(nèi)存中占用8Bits。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-14Mono8圖像格式Mono12像素格式：該像素在內(nèi)存中占用16Bits/Pixel，但實(shí)際只有12Bits是有意義的，高4位補(bǔ)0，起對(duì)齊作用?；叶戎底畲鬄?^12-1=4095，為便于理解，可以看下圖5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-14Mono8圖像格式該Mono12圖像的第一行部分灰度值用十進(jìn)制表示為：0,591,1183,1759,2351,2927,3519,4095二進(jìn)制表示為：0000000000000000；0000001001001111，0000010010011111，0000011011011111，…，0000111111111111。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理圖5.1-14Mono8圖像格式Mono12Packed：由Mono12排列就可以知道，去掉補(bǔ)0的高四位，該像素在內(nèi)存中占用12Bits/PixelMono10像素格式：該像素在內(nèi)存中占用16Bits，但實(shí)際只有10Bits是有意義的，前面6位都補(bǔ)0，起對(duì)齊作用?；叶戎底畲鬄?^10-1=1023.Mono10Packed像素格式：與Mono12Packed類(lèi)似，其也是去掉補(bǔ)0的高四位，該像素在內(nèi)存中也占用12Bits/Pixel5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理彩色像素位深/格式像素深度（bitsperpixel，簡(jiǎn)稱(chēng)bpp）一個(gè)像素的顏色在計(jì)算機(jī)中由多少個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)描述。計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制位來(lái)表示一個(gè)像素的數(shù)據(jù)，用來(lái)表示一個(gè)像素的數(shù)據(jù)位越多，則這個(gè)像素的顏色值更加豐富、分的更細(xì)，顏色深度就更深。一般來(lái)說(shuō)像素深度有這么幾種：1位、8位、16位、24位、32位。像素格式（pixelformat）就是像素色彩按分量的大小和排列的格式。這種格式以每個(gè)像素所使用的總位數(shù)以及用于存儲(chǔ)像素色彩的紅、綠、藍(lán)和alpha分量的位數(shù)指定。比如RGB565,RGB24,RGB32,YUV440P等等，但常用的是RGB格式。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理常見(jiàn)的像素深度：1位、8位、16位、24位、32位1位：用1個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示顏色，這種就叫單色顯示。示例就是小飯店、理發(fā)店門(mén)口的LED屏。8位：用8個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示顏色，此時(shí)能表示256種顏色。這種叫灰度顯示。這時(shí)候是黑白的，沒(méi)有彩色，我們把純白到純黑分別對(duì)應(yīng)255到0，中間的數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的灰。例如以前的黑白電視機(jī)。16位：用16個(gè)二進(jìn)制位表示顏色，此時(shí)能表示65536種顏色。這時(shí)候就可以彩色顯示了，一般是RGB565的顏色分布（用5位二進(jìn)制表示紅色、用6位二進(jìn)制表示綠色、用5位二進(jìn)制表示藍(lán)色）。這種紅綠藍(lán)都有的顏色表示法就是一種模擬自然界中所有顏色的表示方式。但是因?yàn)镽GB的顏色表達(dá)本身二進(jìn)制位數(shù)不夠多（導(dǎo)致紅綠藍(lán)三種顏色本身分的都不夠細(xì)致），所以這樣顯示的彩色失真比較重，人眼能明顯看到顯示的不真實(shí)。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理24位：用24個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示顏色，此時(shí)能表示16777216種顏色。這種表示方式和16位色原理是一樣的，只是RGB三種顏色各自的精度都更高了（RGB各8位），叫RGB888，也叫RGB24。此時(shí)顏色比RGB565更加真實(shí)細(xì)膩，雖然說(shuō)比自然界無(wú)數(shù)種顏色還是少了很多，不過(guò)由于人眼的不理想性所以人眼幾乎不能區(qū)分1677萬(wàn)種顏色和無(wú)數(shù)種顏色的差別了。于是乎就把這種RGB888的表示方法叫做真彩色。（RGB565就是假彩色/失真彩色）5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理32位：總共用32位二進(jìn)制來(lái)表示顏色，其中24位表示紅綠藍(lán)三元色（還是RGB888分布），剩下8位表示透明度。這種顯色方式就叫ARGB（A是阿爾法，表示透明度），現(xiàn)在PC機(jī)中一般都用ARGB表示顏色。補(bǔ)充：顏色的組成，三元色（三基色）是RGB，也就是說(shuō)所有的顏色都可以由紅綠藍(lán)三種顏色組成。總結(jié)：像素深度bpp和像素格式pix_format關(guān)系像素格式是人為規(guī)定的用來(lái)填充像素深度bpp的。比如像素深度為16，說(shuō)明用16位二進(jìn)制表示一個(gè)像素，那到底是怎樣的數(shù)據(jù)形式來(lái)表示填充呢，人為可以規(guī)定RGB565,也可以規(guī)定BGR565。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理像素格式與圖像格式的區(qū)別：圖像格式說(shuō)明了圖像像素?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式。上文介紹的都是像素格式，下面介紹圖像格式。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理RGB格式Red、green、blue三種顏色，可以混合成世界上所有的顏色；彩色圖像中每個(gè)點(diǎn)，由R、G、B三個(gè)分量組成；以RGB24為例，圖像像素?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式如下：從圖中可以看出，RGB24依次存儲(chǔ)了每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B信息。PS:BMP文件中存儲(chǔ)的就是RGB格式的像素?cái)?shù)據(jù)。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV格式相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，人眼對(duì)亮度敏感而對(duì)色度不敏感。因而可以將亮度信息和色度信息分離，并對(duì)色度信息采用更“狠”一點(diǎn)的壓縮方案，從而提高壓縮效率。YUV格式中，Y只包含亮度信息，而UV只包含色度信息。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理可以理解為，YUV圖像格式是對(duì)原始RGB圖像信息的采樣，根據(jù)采樣方式或格式的不同，命名位YUV444、YUV422等。（1）YUV444YUV4:4:4采樣，意味著Y、U、V三個(gè)分量的采樣比例相同，因此在生成的圖像里，每個(gè)像素的三個(gè)分量信息完整，都是8bit，也就是一個(gè)字節(jié)。圖像像素?cái)?shù)據(jù):Y0U0V0/Y1U1V1/Y2U2V2/Y3U3V3采樣的碼流:Y0U0V0/Y1U1V1/Y2U2V2/Y3U3V35.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理通過(guò)YUV444采樣的圖像大小和RGB顏色模型的圖像大小是一樣的。一張1280*720大小的圖片，在YUV4:4:4采樣時(shí)的大小為：(1280*720*8+1280*720*8+1280*720*8)/8/1024/1024=2.64MB為什么叫4:4:4,意思就是每4個(gè)像素里的數(shù)據(jù)有4個(gè)Y，4個(gè)U,4個(gè)V（即每個(gè)像素里面的YUV信息都是全的）Y分量的大?。簑*hU分量的大?。簑*hV分量的大?。簑*h5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV422YUV4:2:2采樣，意味著UV分量是Y分量采樣的一半，Y分量和UV分量按照2:1的比例采樣。如果水平方向有10個(gè)像素點(diǎn)，那么采樣了10個(gè)Y分量，而只采樣了5個(gè)UV分量。圖像像素?cái)?shù)據(jù):Y0U0V0/Y1U1V1/Y2U2V2/Y3U3V3采樣的碼流:Y0U0/Y1V1/Y2U2/Y3V3其中，每采樣過(guò)一個(gè)像素點(diǎn)，都會(huì)采樣其Y分量，而

U、V分量就會(huì)間隔一個(gè)采集一個(gè)。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理一張1280*720大小的圖片，在YUV4:2:2采樣時(shí)的大小為：(1280*720*8+(1280*720)/2*8+(1280*720)/2*8)/8/1024/1024=1.76MB可以看到Y(jié)UV422采樣的圖像比RGB模型圖像節(jié)省了三分之一的存儲(chǔ)空間，在傳輸時(shí)占用的帶寬也會(huì)隨之減少。為什么叫4：2：2，意思是每4個(gè)像素里面有4個(gè)Y，2個(gè)U，2個(gè)VY分量的大?。簑*hU分量的大?。簑*h/2V分量的大?。簑*h/25.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV420YUV4:2:0采樣，并不是指只采樣U分量而不采樣V分量。而是指，在每一行掃描時(shí)，只掃描一種色度分量（U或者V），和Y分量按照2:1的方式采樣。比如，第一行掃描時(shí)，YU按照2:1的方式采樣，那么第二行掃描時(shí)，YV分量按照2:1的方式采樣。對(duì)于每個(gè)色度分量來(lái)說(shuō)，它的水平方向和豎直方向的采樣和Y分量相比都是2:1。圖像像素?cái)?shù)據(jù)：[Y0U0V0]、[Y1U1V1]、[Y2U2V2]、[Y3U3V3]

[Y5U5V5]、[Y6U6V6]、[Y7U7V7]、[Y8U8V8]采樣的碼流：Y0U0/Y1/Y2U2/Y3

Y5V5/Y6/Y7V7/Y8其中，每采樣過(guò)一個(gè)像素點(diǎn)，都會(huì)采樣其Y分量，而U、V分量就會(huì)間隔一行按照2:1進(jìn)行采樣。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理為什么叫4：2：0，意思是每4個(gè)像素中有4個(gè)Y，2個(gè)U，0個(gè)V，而下一行的四個(gè)像素中有4個(gè)Y，0個(gè)U，2個(gè)VY分量的大?。簑*hU分量的大小：w*h/4V分量的大?。簑*h/4一張1280*720大小的圖片，在YUV4:2:0采樣時(shí)的大小為：(1280*720*8+(1280*720)/4*8+(1280*720)/4*8)/8/1024/1024=1.32MB可以看到Y(jié)UV420采樣的圖像比RGB模型圖像節(jié)省了一半的存儲(chǔ)空間，因此它也是比較主流的采樣方式。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV格式有兩大類(lèi)：planar和packed。

1）對(duì)于planar的YUV格式，先連續(xù)存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的Y，緊接著存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的U，隨后是所有像素點(diǎn)的V。

2）對(duì)于packed的YUV格式，每個(gè)像素點(diǎn)的Y,U,V是連續(xù)交叉存儲(chǔ)的。與我們熟知的RGB類(lèi)似，YUV也是一種顏色編碼方法，主要用于電視系統(tǒng)以及模擬視頻領(lǐng)域，它將亮度信息（Y）與色彩信息（UV）分離，沒(méi)有UV信息一樣可以顯示完整的圖像，只不過(guò)是黑白的，這樣的設(shè)計(jì)很好地解決了彩色電視機(jī)與黑白電視的兼容問(wèn)題。并且，YUV不像RGB那樣要求三個(gè)獨(dú)立的視頻信號(hào)同時(shí)傳輸，所以用YUV方式傳送占用極少的頻寬。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV，分為三個(gè)分量：Y表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；U(Cb)表示色度（Chrominance）V(Cr)表示濃度（Chroma）YUV與YcbcrYUV是種顏色編碼方法,是一種色彩空間Ycbcr是對(duì)色彩采樣的格式Y(jié)UV與Ycbcr具有概念上的細(xì)微差別，但?；煜褂?。對(duì)于工業(yè)相機(jī)原理和通信來(lái)說(shuō)，不會(huì)產(chǎn)生影響。作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理YUV是種顏色編碼方法，是彩色電視為了兼容黑白電視而發(fā)展起來(lái)的。在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝影機(jī)或彩色CCD相機(jī)進(jìn)行取像，然后把取得的彩色圖像信號(hào)經(jīng)分色、分別放大校正后得到RGB，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R－Y（即U）、B－Y（即V），然后對(duì)這三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼。Y就是所謂的流明(luminance)，表示光的濃度且為非線性，使用伽馬修正(gamma

correction)編碼處理；而CB和CR則為藍(lán)色和紅色的濃度偏移量成份。即Cb和Cr只是兩個(gè)色差信號(hào)。Y代表亮度，cbcr分別代表藍(lán)色與紅色(相對(duì)于綠色的分量)。YUV三個(gè)分量與RGB三個(gè)分量的關(guān)系是怎樣的？5.1.4像素深度與像素格式——5.1.4.2像素格式工業(yè)相機(jī)原理光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)特性是指芯片對(duì)于不同波段光線的響應(yīng)能力，通常用光譜響應(yīng)曲線來(lái)表征。圖5.1-27橫軸為波長(zhǎng)范圍（單位nm），縱軸是芯片在給定波長(zhǎng)下的光譜響應(yīng)5.1.5光譜響應(yīng)工業(yè)相機(jī)原理長(zhǎng)波紅外?采集8μm-14μm的電磁波，采用熱輻射原理成像?物體的熱輻射能力與物體材料特性和表面溫度有關(guān)，溫度越高，輻射的能量越大?靈敏度高，更少的大氣吸收，更高的信噪比，對(duì)于可見(jiàn)光背景干擾不敏感。短波紅外?采集0.9-1.7um的電磁波，采用目標(biāo)反射光成像?高識(shí)別度、全天候適應(yīng)、微光夜視、光學(xué)配置簡(jiǎn)便5.1.5光譜響應(yīng)工業(yè)相機(jī)原理5.1.6可變?cè)鲆娣秶鲆妫℅ain）是指相機(jī)在接收到的原始光信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行放大的程度，以提高圖像的亮度或信噪比。增益值影響圖像傳感器由光生成圖像這一過(guò)程中的模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，并作為輸出信號(hào)的乘法器?？勺?cè)鲆娣秶╒ariableGainRange,VGA），以分貝（dB）為單位，是工業(yè)相機(jī)的重要參數(shù)之一。這個(gè)參數(shù)表明相機(jī)可以通過(guò)調(diào)整增益來(lái)改變圖像的亮度，從而適應(yīng)不同的光照條件。例如，如果一個(gè)工業(yè)相機(jī)的VariableGainRange是0dB到18dB，這意味著相機(jī)可以將信號(hào)放大0到18倍。增益的增加可以提高圖像的亮度，但也可能會(huì)增加圖像的噪聲。因此，選擇合適的增益設(shè)置對(duì)于在不同的光照條件下獲得高質(zhì)量的圖像至關(guān)重要。工業(yè)相機(jī)原理5.1.6可變?cè)鲆娣秶鶤utoExposure–AutoGain(AEAG)是相機(jī)對(duì)于曝光和增益的一種處理模式,

是指自動(dòng)曝光和自動(dòng)增益控制功能的組合。這是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)以適應(yīng)