第九節(jié)　視覺傳感器

廣義的視覺傳感器主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，如圖2-23所示，其主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺系統(tǒng)要處理的最原始圖像。把光源、攝像機(jī)、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通信接口等集成一體的視覺傳感器常稱為一個(gè)智能圖像采集與處理單元，如圖2-24所示，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法，并能使用PC機(jī)，利用專用組態(tài)軟件編制各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲(chǔ)器中，視覺傳感器將PC機(jī)的靈活性、PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，用這樣的視覺傳感器和PLC可以更容易地構(gòu)成機(jī)器視覺系統(tǒng)。

狹義的視覺傳感器是指圖像傳感器，它的作用是將鏡頭所成的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字或模擬信號(hào)輸出，是視覺檢測的核心部件，主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。

一、CCD圖像傳感器

CCD（Charge-Coupled Device）中文全稱為電荷耦合元件。CCD圖像傳感器主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成，其外形如圖2-25所示。

CCD是一種特殊的半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，它提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。

由于CCD的體積小、成本低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的視覺傳感器都是CCD。

二、CMOS圖像傳感器

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中文全稱為互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。CMOS圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，和CCD的原理相同，其外形如圖2-26所示。

CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動(dòng)控制、自動(dòng)測量、攝影攝像、視覺識(shí)別等各個(gè)領(lǐng)域。

三、圖像傳感器主要參數(shù)

CCD和CMOS圖像傳感器的主要參數(shù)有像素、幀率、靶面尺寸、感光度、信噪比和電子快門等。

（1）像素　圖像傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元都對(duì)應(yīng)著一個(gè)像素。所以，像素越多，代表著它能夠感測到的物體細(xì)節(jié)越多，從而圖像就越清晰。

（2）幀率　幀率代表單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫效果，根據(jù)人的視覺系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/s的時(shí)候，人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達(dá)到24～30幅/s之間時(shí)就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象。每秒的幀數(shù)或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗(yàn)。

（3）靶面尺寸　靶面尺寸也就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸（1in=0.0254m）來表示，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長度，如常見的有1/3in。靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2in可以有比較大的通光量，而1/4in可以比較容易獲得較大的景深。

（4）感光度　感光度代表通過CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應(yīng)入射光線的強(qiáng)弱。感光度越高，感光面對(duì)光的敏感度就越強(qiáng)，快門速度就越高，這在拍攝運(yùn)動(dòng)車輛、夜間監(jiān)控的時(shí)候尤其顯得重要。

（5）信噪比　信噪比指的是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，單位為dB。一般攝像機(jī)給出的信噪比值均是AGC（自動(dòng)增益控制）關(guān)閉時(shí)的值，因?yàn)楫?dāng)AGC接通時(shí)，會(huì)對(duì)小信號(hào)進(jìn)行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)提高。信噪比的典型值為45～55dB：若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量優(yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說明對(duì)噪聲的控制越好。

（6）電子快門　電子快門用來控制圖像傳感器的感光時(shí)間，由于圖像傳感器的感光值就是信號(hào)電荷的積累，感光越長，信號(hào)電荷積累時(shí)間也越長，輸出信號(hào)電流的幅值也越大。電子快門越快，感光度越低，因此適合在強(qiáng)光下拍攝。

四、CCD和CMOS圖像傳感器的差異

CCD和CMOS圖像傳感器具有以下差異。

（1）制造上的差異　CCD和CMOS同為半導(dǎo)體，但CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上；CMOS是集成在金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。

（2）工作原理的差異　主要區(qū)別是讀取視覺數(shù)據(jù)的方法，CCD從陣列的一個(gè)角落開始讀取數(shù)據(jù)；CMOS對(duì)每一個(gè)像素采用有源像素傳感器及晶體管，以實(shí)現(xiàn)視覺數(shù)據(jù)讀取。

（3）視覺掃描方法的差異　CCD傳感器連續(xù)掃描，在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大；CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。

（4）感光度的差異　CMOS 每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此在相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會(huì)低于CCD。

（5）分辨率的差異　CMOS每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比CCD復(fù)雜，其感光開口不及CCD大，相對(duì)比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時(shí)，CCD感光器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS。

（6）噪聲的差異　CMOS每個(gè)感光二極管旁都搭配一個(gè)ADC放大器，如果以百萬像素計(jì)，那么就需要百萬個(gè)以上的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有微小差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對(duì)比單一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的噪聲就比較多。

（7）成本的差異　CMOS應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次將全部周邊設(shè)施整合于單芯片中，節(jié)省加工芯片所需負(fù)擔(dān)的成本和良率的損失；相對(duì)地，CCD采用電荷傳遞的方式輸出信息，必須另辟傳輸信道，如果信道中有一個(gè)像素故障，就會(huì)導(dǎo)致一整排的信號(hào)壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等，CCD的制造成本相對(duì)高于CMOS。

（8）耗電量的差異　CMOS的影像電荷驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的晶體管做放大輸出；但CCD卻為被動(dòng)式，必須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12V以上，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動(dòng)電壓使CCD的電量遠(yuǎn)高于CMOS。

CCD和CMOS圖像傳感器的比較見表2-5。

CCD攝像機(jī)和CMOS攝像機(jī)在使用過程還涉及諸多工作參數(shù)。就當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀，CCD攝像機(jī)的靈敏度和解析度均比CMOS高，為了能夠確保視覺識(shí)別的精度和準(zhǔn)確度，一般選用CCD攝像機(jī)作為圖像傳感器。

五、視覺傳感器的應(yīng)用

視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用是以攝像頭的方式出現(xiàn)，主要用于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)、汽車并線輔助系統(tǒng)、自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)中的障礙物檢測和道路檢測等。

攝像頭有單目攝像頭和雙目攝像頭，如圖2-27所示。

單目攝像頭是利用攝像頭采集車輛前方路況信息，并依靠數(shù)據(jù)庫中保存的物體標(biāo)志性特征輪廓識(shí)別前方物體，從而依靠獨(dú)立的算法計(jì)算出物體與車輛的距離和接近速率。單目攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，能夠識(shí)別具體障礙物的種類，識(shí)別準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是由于其識(shí)別原理導(dǎo)致其無法識(shí)別沒有明顯輪廓的障礙物，工作準(zhǔn)確率與外部光線條件有關(guān)，并且受限于數(shù)據(jù)庫，沒有自學(xué)習(xí)功能。

雙目攝像頭可以通過視頻接收信號(hào)計(jì)算出汽車與其他物體間的距離。雙目攝像頭優(yōu)點(diǎn)是功能較單目攝像頭更強(qiáng)大，探測距離更準(zhǔn)確，探測距離更遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是成本高于單目攝像頭。

攝像頭有紅外攝像頭和普通攝像頭，紅外攝像頭既適合白天工作，也適合黑夜工作；普通攝像頭只適合白天工作，不適合黑夜工作。目前使用的主要是紅外攝像頭。

目前，汽車上使用的視覺傳感器主要型號(hào)見表2-6，表中報(bào)價(jià)僅供參考。

超聲波傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和視覺傳感器作為主要的環(huán)境感知傳感器，它們的選擇需要綜合考慮其性能特點(diǎn)和性價(jià)比，它們之間的比較見表2-7。