全局快门和卷帘式快门
工业相机的主要性能特点
工业相机的主要性能特点一、图像感光芯片以前工业相机都使用CCD芯片, 这使得相机具有高灵敏度和低图像噪声。
此外，CCD 工业相机还具有以下三个主要特征：1、全局快门；2、黑白与彩色两种型号；3、长期都有库存。
与此同时，越来越多的CMOS感光芯片也被用于工业相机领域。
由于它们成本较低，可以有效降低机器视觉应用的整体造价。
但大多数CMOS相机的卷帘式快门限制了其应用领域。
美国TEO迪奥科技有限公司专业研发生产CCD和CMOS两种芯片的相机，以及机器视觉相关产品。
二、图象处理数字感光芯片还将一些物理及化学方面的属性（如温度、酸度等）转换为数字信号。
感光芯片不对这些属性进行任何分析处理，它们只是尽可能准确的将其转换为数字信号。
工业相机本质上是将光子信号转换为数字信号的设备，而这里所谓的数字信号就是图像。
这些图像不一定非得看起来如何美轮美奂，在工业机器视觉领域，只需要相机尽可能精确的将光信号转换为电信号。
所以，工业相机不会美化它拍摄的画面，同理，机器视觉领域也应尽量避免压缩图像。
三、镜头机器视觉技术的应用领域非常广泛。
因此，大部分工业相机在发售时都不带镜头，但带有镜头基座。
镜头接口有两种型号：C和CS。
此外，市场上还有显微镜、望远镜、内窥镜等其它基于这些装配接口标准的镜头。
四、数字 I/O接口机器视觉的定义不仅仅是捕捉到图像，还包括与机器的交互。
为此，工业相机提供了数字I/O接口。
其中用的最多的就是外触发输出。
在外触发模式下，相机根据外界事件触发快门，捕捉图像。
典型的应用就是传送带上安装光栅，然后将工业相机放置在旁边。
当有目标物体经过光栅时，触发脉冲信号，进而让相机曝光。
五、编程界面工业相机是数字化的图像感应设备。
其信号即图像最终还是要由计算机进行分析。
在进行图像分析前，首先需要设置相机参数和捕捉图像。
通常，机器视觉需要相机控制、图象采集和图象分析这三部分整合为一个程序。
工业相机的生产商一般也都会提供编程接口，用于相机控制和图象采集。
影响数字摄像机动态范围的因素
146现代电视技术2018.4动态范围指的是呈现所拍摄景物最暗部分到最亮部分的亮度范围，要完整地观看到原始景物的动态范围采集端、传输端、显示端的硬件水平需要保持一致。
当然再现真实景物动态范围难度很大，本文只讨论数字摄影机拍摄时影响动态范围的因素，可以说前端已经决定了最后所能呈现的动态范围的最大值。
动态范围 快门 光圈 增益 伽马摄影摄像的过程就是一个光信号采集转换成电信号记录的过程，与录音机记录声音是一个道理，同样存在数据采集、数据处理、数据记录的过程。
对胶片机等模拟拍摄来说，摄影的过程都是基于卤化银的光化学反应，它是按对数方式进行的，也就是说胶片颗粒对光线的反应和人眼感受器对光线的反应一样。
对摄像机等数字拍摄来说，摄影的过程是线性电路完成的，它是由许多的比特位来表现连续的模拟图像，如果不对线性电路做任何调整，那么数字影像能够展现的细节层次比起胶片将大大减少。
展现胶片的电影感，或者说能够更加接近人眼的感受曲线，有效扩大影像的动态范围（DR ），是广播电视行业使用非线性曲线的原因。
在数字电视领域，决定动态范围的环节有三个。
首先是图像传感器（CMOS/CCD ）光电转换时的动态范围，可以理解为模拟视频信号的信噪比（SNR ），即可记录的不失真最大信号和视频噪波的有效值之比；其次是模数转换（A/D ）时的动态范围，表现为数字采样的数据位，即采用8bit 、12bit 还是16bit 进行量化；最后是视频文件格式记录时的动态范围，可以通过记录比特数或改变增益、伽马等参数来实现不同的动态范围。
理论上若要达到更高的信噪比，则需要更多的量化比特数，即SNR 每增加6dB ，比特位需增加一位。
实际上三个环节均会对最终图像的动态范围产生影响，一般前两个环节由硬件决定，最后一个环节可由视频工程师修改参数来实现动态范围的调整。
数字摄像机的动态范围跟胶片时代的宽容度类似，目就必须要提到一个曝光值概念（EV ，Exposure Value ），指的是通过镜头直接抵达传感器的光通量，常使用曝光值来测量图像中包含的动态范围。
工业相机精度计算公式
工业相机精度计算公式已知：目标长宽15 x 15mm，要求0.008mm 的精度幅宽按1.5倍，即1.5*15 = 22.5mm(1). 相机像素=幅宽/检测精度=22.5mm/0.008mm= 2812.5 pixel，相机分辨率为2812.5 x 2812.5 = 791万像素，考虑检测稳定性，按4个像素对应一个检测精度（边缘像素4，实际对长边和短边各放大2倍）。
实际相机分辨率为791x4 = 3164万像素常见像素：30万、130万、200万、300万、500万、900万、1200万、1400万、1600万、2000万、2500万、2900万、3100万、4700万、7100万等综上，3100万像素相机，这里考虑海康的MV-CH310-10GM 相机卷帘快门（Rolling Shutter）——拍摄静态物体多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。
全局快门（Global Shutter）——拍摄运动物体CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。
（2）镜头焦距计算假设工作距离60mm系统放大倍率 = 芯片短边/视野短边 = 16.7/22.5 = 0.7422系统的分辨精度 = 像元尺寸/放大倍率 =3.45/0.7422 =4.648微米 < 8微米（客户需求），满足要求.镜头焦距为：f = 工作距离/(1+1/放大倍率) =60/(1+1/0.7422) = 25.56 毫米参考：勇哥的视觉实验：工业相机镜头焦距、工作距离、视野等选型的计算-视觉实验-少有人走的路 (skcircle) 文中提到的那个小程序，源代码里焦距计算公式不太一样，是用的第二种。
机器视觉基础知识（ＰＤＦ）
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
一、镜头基本概念（7）
镜头的调制传递函数MTF
第一节 工业镜头
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
一、镜头基本概念（8）
镜头的调制传递函数MTF
第一节 工业镜头
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
第一节 工业镜头
一、镜头基本概念（9）
镜头的调制传递函数MTF
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
第一节 工业镜头
一、镜头基本概念（4）
镜头接口 – C-MOUNT 镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数： 公称直径：1“ 螺距：32牙 – CS－Mount是C－Mount的一个变种，区别仅仅在于 镜头定位面到图像传感器光敏面的距离的不同，C－ Mount 是17。5mm，CS－Mount是12。5mm。 – C/CS能够匹配的最大的图像传感器的尺寸不超过1“。
一、镜头基本概念（10）
系统的调制传递函数MTF
第一节 工业镜头
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
第一节 工业镜头
二、镜头的分类（1）
按照等效焦距分为 广角镜头
等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。特点 是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。 中焦距镜头 焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变 校正较好。 长焦距镜头 等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大，畸变 常常表现为枕形状畸变。
像素速率（Pixel Rate）
相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意 义。
机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识
第二节 工业相机
一、工业相机的基本概念（5）
卷帘快门（Rolling Shutter）
CCD工作原理
CCD工作原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于光电转换的电子器件，主要应用于图像传感器和视频摄像头中。
它的工作原理是基于电荷耦合的方式，通过对光信号的转换和传输，实现图像的捕捉和处理。
CCD由一系列的光敏元件（photosite）组成，每个光敏元件可以捕捉到一个像素点的光信号。
当光线照射到CCD上时，光敏元件会将光信号转换为电荷，并将电荷暂时存储在每个元件中的电荷阱中。
在CCD图像传感器中，有两种常见的工作模式：全局快门（Global Shutter）和卷帘快门（Rolling Shutter）。
在全局快门模式下，所有的光敏元件同时曝光，可以捕捉到整个图像的同时。
而在卷帘快门模式下，每行或每列的光敏元件会按顺序曝光，因此在快速移动的情况下可能会出现图像扭曲的现象。
一旦光敏元件捕捉到了光信号并将其转换为电荷，这些电荷就会被传输到CCD芯片的输出端。
传输电荷的过程是通过在CCD芯片中引入的一系列电势阱和电势垒来实现的。
通过逐行或逐列地移动这些电势阱和电势垒，可以将电荷从光敏元件传输到输出端。
在CCD芯片的输出端，电荷会被转换为电压信号，并经过放大和数字化处理，最终形成一个完整的图像。
这个图像可以通过连接到计算机或其他显示设备的接口进行传输和显示。
CCD的工作原理可以总结为以下几个步骤：1. 光敏元件接收到光信号，并将其转换为电荷。
2. 电荷被暂时存储在每个光敏元件中的电荷阱中。
3. 电荷通过CCD芯片中的电势阱和电势垒传输到输出端。
4. 电荷在输出端被转换为电压信号，并进行放大和数字化处理。
5. 最终形成一个完整的图像，可以传输和显示。
CCD在图像传感器和视频摄像头中的广泛应用，使得它成为了现代数字图像和视频技术的重要组成部分。
其高质量的图像捕捉能力和较低的噪声水平，使得CCD在许多领域，如摄影、监控、医学影像等方面得到了广泛应用。
同时，随着技术的不断发展，CCD也在不断进化和改进，以满足更高的图像质量和性能需求。
卷帘曝光和全局曝光的差别
卷帘曝光和全局曝光的差别
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全局曝光和卷帘曝光是常见的相机曝光方式。
一般来说，CCD相机是全局曝光，而CMOS相机则存在卷帘曝光。
那么，这两种方式孰优孰劣呢？或者说，他们两者的差别在哪里呢？那么，先从两者的定义说起。
全局曝光
全局曝光的方式比较简单。
也就是说光圈打开后，整个图像芯片同时曝光。
因此，曝光时间与机械的开关速度有关。
既然与机械运动相关，所以，存在理论上的最小曝光时间。
卷帘曝光
顾名思义，卷帘曝光的方式可能与卷帘的概念相关。
此种曝光方式是当光圈打开后，还存在具有一定间隔的卷帘来控制传感器的曝光时间。
注意，如下图所示，卷帘的方式是从左到右的。
因此，曝光时间的长短完全取决于卷帘的开口大小与卷帘的运动速度。
也就是说，卷帘运动得越快，卷帘间距越小，其传感器的曝光时间越小。
因此，卷帘曝光方式能够具有更小的曝光时间。
其卷帘运动的方式由下图所示：卷帘在运动时，其卷帘开口的传感器来能接受光。
卷帘移动过程中的某个位置
卷帘在移动过程中的后一个位置
两者的优缺点
（１）全局曝光的优点是所有的像素点同时曝光。
其缺点是曝光时间存在局限，存在机械极限的最小曝光时间。
（２）卷帘曝光的优点是具有更小的曝光时间。
其缺点是由于逐行的是在不同时间进行曝光取像，如果图像是运动的，则存在明显的拖影。
因此，卷帘曝光不适合拍摄运动的物体。
MT9V032总转风摄像头
MT9V032总转风摄像头一、前言：总转风摄像头是一款基于MT9V032芯片设计的传感器模块，是逐飞科技独家研发的一款高性能，在恩智浦竞赛市面上性能最优，最适合高速情况下的图像采集的全局快门摄像头。
二、优点介绍：优点一：全局快门总转风采用的是MT9V032芯片，CMOS全局快门(Global Shutter)。
全局快门是指在曝光前整个图像重置，像素可在曝光时间积累电荷；曝光结束后，每个像素积累的电荷同时传送到屏蔽光(对光不敏感)的存储区域；然后信号从此区域读出。
因为所有像素同时重置，曝光积分同样的间隔，同时传输到光屏蔽存储区域，故对移动物体来说没有形变。
以下是全局快门、普通人眼观察、卷帘快门(OV7725鹰眼属于这类)三种拍摄高速旋转的易拉罐的对比图。
可以很明显的发现，全局快门的性能是优越的，即使物体处于高速运动状态，但是依然能保持没有失真，所以非常适合高速运动的智能车。
优点二：高动态性能高动态范围(HDR)图像为我们呈现了一个充满无限可能的世界，因为它们能够表示现实世界的全部可视动态范围。
由于可以在HDR图像中按比例表示和存储真实场景中的所有亮度值，因此调整HDR图像的曝光度的方式与在真实环境中拍摄场景时调整曝光度的方式类似。
HDR是目前追求画面逼真度最新最先进的手段。
优点三：FPS可调FPS(图像帧率)在软件中可以调节，总转风摄像头可以在50帧、60帧、75帧、100帧、150帧中切换，图像都可以保持稳定。
优点四：可以进行自动曝光(自动曝光开启时)总转风摄像头具有自动曝光功能，当环境变亮时，摄像头会自动减少曝光时间。
当环境变暗时，摄像头会自动增加曝光时间。
因此这款摄像头可以适应不同环境。
优点五：曝光时间随时可调(自动曝光关闭时)当摄像头采集到图像较亮(曝光过度)时，可以通过程序去调节曝光时间，使图像不那么亮，并且改变曝光时间不需要重新复位摄像头。
优点六：用户不需要自己写驱动程序由于总转风内部集成了驱动配置芯片，所以用户不需要自己写摄像头驱动程序，使用难度大大降低。
CMOS图像传感器原理及应用
精选课件
卷帘式快门
14
全局式快门优点在于拍摄运 动物体不会失真。 卷帘式快门的优点在于没有 采样保持单元，结构简单噪 音低。
全局式快门
卷帘式快门
精选课件
15
• 读取方式： • 根据快门方式有所不同，
CMOS图像传感器的像素信号 读取有两种方式，即扫描读取 方式和随机读取方式，如图所 示。
扫描读取
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9
ISO感光度
• ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时，感光度就愈大。
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10
分辨率
• 先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能 • 再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位， • 该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 • dpi (dot per inch)。常见单位有： • EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 • DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 • PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 • LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。 • 胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶 • 片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次 • 的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫 • 米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 • 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。
• CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再 整合各个像素的数据。
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电子快门的方式——全局快门和卷帘式快门
常见的电子快门的方式有Global shutter（全局快门）和rolling shutter（卷帘式快门）两种，全局快门是通过整幅图片在同一时间曝光实现的。
传感器的所有像素点同时收集光线，同时曝光。
当预设的曝光时间到了，传感器停止收集光线，并将曝光图像转成电子图像。
在这个过程中，并没有实际意义上的快门存在。
在曝光开始的时候，传感器开始收集光线；在曝光结束的时候，光线收集电路被切断，传感器读出值即为一副图片。
卷帘式快门与全局快门不同，它是通过控制芯片逐行曝光的方式实现的。
卷帘式快门也没有实际意义上的快门，而是通过通断电控制传感器，使其不同部分在不同时间下对光的敏感度不同。
逐行进行曝光，直至所有像素点都被曝光。
当然，所有的动作在很短的时间内完成，一般情况为1/48至1/60秒。
需要注意的是，卷帘式快门采用的是逐行曝光的方式。
假如物体或摄像头在拍摄期间处于快速运动状态，拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况。
卷帘式快门是逐行顺序曝光，所以不适合运动物体的拍摄。
当采用全局快门方式曝光时，所有像素在同一时刻曝光，类似于将运动物体冻结了，所以适合拍摄快速运动的物体。
但是全局快门可能出现像糊现象。
像糊现象出现与否取决于曝光时间的长短。
假如曝光时间过长，且物体运动过快则会出现像糊；假如曝光时间很短，类似于运动物体在瞬间被冻结了，则少有像糊。
两者对比如下图：。