二、

2、相機(jī)

圖像輸出

圖像輸出單元產(chǎn)生一個(gè)適合后續(xù)圖像處理的視頻信號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)中，獲取的圖像將轉(zhuǎn)換成遵循某一種國(guó)際視頻標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)：在標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)中，獲取的圖像轉(zhuǎn)換成一個(gè)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一的視頻信號(hào)，對(duì)歐洲為CCIR標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)美國(guó)為EIA制定的RS-170標(biāo)準(zhǔn)。

基于CCIR標(biāo)準(zhǔn)，有兩個(gè)彩色標(biāo)準(zhǔn):PAL制式和SECAM制式。對(duì)RS-170標(biāo)準(zhǔn)的彩色的延展就是RS-170a，即NTSC標(biāo)準(zhǔn)。非標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)的輸出單元要遵循一定的規(guī)則，與特定的形式無關(guān)，一般是基于RS-422標(biāo)準(zhǔn)的。從技術(shù)角度考慮，由于避免了視頻標(biāo)準(zhǔn)的限制，數(shù)字相機(jī)是比較理想的選擇；而從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，這些標(biāo)準(zhǔn)太重要了而不可能完全擺脫它們。

下圖是標(biāo)準(zhǔn)制式相機(jī)的原理圖，CCD完成積分控制后奇數(shù)行和偶數(shù)行按先后依次轉(zhuǎn)移到輸出寄存器（通常將所有奇數(shù)行或所有偶數(shù)行組成的圖像稱為一場(chǎng)（field），而兩場(chǎng)合并后才稱為一楨（frame），然后通過相機(jī)內(nèi)部的同步產(chǎn)生器在每行像素前插入行同步信號(hào)（HD），在經(jīng)過若干行達(dá)到一個(gè)場(chǎng)時(shí)插入場(chǎng)同步信號(hào)（VD）。

標(biāo)準(zhǔn)制式相機(jī)的原理圖

相機(jī)的一個(gè)重要的非標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)就是像素時(shí)鐘輸出，來自CCD芯片的像素傳輸?shù)膬?nèi)部時(shí)鐘可以適用于后續(xù)的圖像處理單元，這種像素?cái)?shù)據(jù)的精確傳輸是對(duì)精確測(cè)量的預(yù)獲取，此外很多相機(jī)也能接受外部的時(shí)鐘輸入來進(jìn)行外同步。另一種對(duì)外部事件的響應(yīng)是用外部事件來觸發(fā)相機(jī)，在測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)候這是非常重要的，比如由光電開關(guān)觸發(fā)相機(jī)。

隔行掃描是多年前作為電視廣播標(biāo)準(zhǔn)的一部分而發(fā)展起來的，它主要發(fā)展是為了在有效的信號(hào)帶寬內(nèi)改進(jìn)運(yùn)動(dòng)影像，目前的視頻標(biāo)準(zhǔn)依然依賴于早期的顯像管相機(jī)和顯示屏技術(shù)，在如今CCD芯片和純平顯示的年代，這些只會(huì)給機(jī)器視覺應(yīng)用帶來麻煩，卻依然大量應(yīng)用似乎很奇怪了，前面已經(jīng)提到這還是由于必須考慮價(jià)格因素。

對(duì)于顯像管，必須控制掃描顯像管光敏感區(qū)域電子流和在屏幕上產(chǎn)生的圖像。掃描從左上角開始，到第一行的末尾，折回到第三行繼續(xù)掃描。

這種方式，第一次掃描一場(chǎng)的奇數(shù)行，第二次掃描一場(chǎng)的偶數(shù)行，重疊起來就降低了電視屏幕的閃爍。一次完整的掃描（一幀）對(duì)于CCIR標(biāo)準(zhǔn)由625線組成，持續(xù)1/25秒。一個(gè)RS-170幀由525線組成，持續(xù)1/30秒。下圖描述了相機(jī)輸出單元的一些特性、參數(shù)及選項(xiàng)。

在折回的時(shí)間中，水平同步脈沖加入到視頻信號(hào)中，表示另一行的開始。同步信號(hào)之前和之后的多余時(shí)間用于給BLACK提供一個(gè)參考。信號(hào)的這些部分稱為前向通路和后向通路。垂直同步脈沖觸發(fā)新的一場(chǎng)的開始。

垂直同步脈沖是一個(gè)由對(duì)CCIR標(biāo)準(zhǔn)多于50線的，對(duì)EIA標(biāo)準(zhǔn)多于40線的脈沖序列。因此，這些線不是用于標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)的，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)應(yīng)該是對(duì)CCIR標(biāo)準(zhǔn)575線，對(duì)EIA標(biāo)準(zhǔn)485線。

標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)傳輸?shù)耐剑腔谒胶痛怪蓖矫}沖的。那單個(gè)像素呢？按照CCIR標(biāo)準(zhǔn)和EIA標(biāo)準(zhǔn)，圖像的寬高比例必須是4：3。因此，對(duì)于CCIR標(biāo)準(zhǔn)為767像素/線，對(duì)于EIA標(biāo)準(zhǔn)為647像素/線。對(duì)于CCIR標(biāo)準(zhǔn)，在52ms內(nèi)掃描767個(gè)像素，需要像素時(shí)鐘頻率為14.75MHz，而對(duì)于EIA標(biāo)準(zhǔn)，在52.59ms內(nèi)掃描647個(gè)像素，需要像素時(shí)鐘頻率為12.3MHz。

對(duì)于人類視覺系統(tǒng)，單個(gè)像素的意義不大。電視的分辨率是以不同的方式測(cè)量的：對(duì)于水平分辨率最高的要求就是，當(dāng)CCIR相機(jī)指向383.5垂直的黑白線對(duì)的時(shí)候，一行的鄰近像素必須分別獲取并顯示最大和最小灰度級(jí)。

盡管這對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形信號(hào)，但人類視覺系統(tǒng)分辨模糊的從黑到白的灰度轉(zhuǎn)變是沒有問題的，因此被看作是一個(gè)頻率為7.375MHz的正弦信號(hào)。

對(duì)于EIA標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的計(jì)算就是一個(gè)頻率為6.15 MHz的正弦信號(hào)。那么，任一視頻分量的帶寬就分別為7.375MHz和6.15 MHz。然而，視頻標(biāo)準(zhǔn)允許低的帶寬，就導(dǎo)致低的水平分辨率。

因此相機(jī)或監(jiān)視器能獲取和顯示的垂直線的個(gè)數(shù)就是一個(gè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)。這一參數(shù)是來計(jì)算單個(gè)垂直的黑線和白線，而不是計(jì)算線對(duì)。簡(jiǎn)單的監(jiān)視系統(tǒng)需要300條TV線。高分辨率系統(tǒng)提供550或更多的TV線。在實(shí)際中，這種測(cè)量并沒有精確的使用。因此，一個(gè)有550條TV線的相機(jī)可能會(huì)比另一個(gè)號(hào)稱600條TV線的相機(jī)有更好的性能。

顯像管屏幕的顯示特性是非線性的，強(qiáng)調(diào)圖像亮的和暗的灰度級(jí)。為了補(bǔ)償這個(gè)影響，大多數(shù)相機(jī)提供r校正（伽馬校正）。如果r＝1，輸出單元以線性模式工作，r＝0.45表明輸出單元強(qiáng)調(diào)中灰度級(jí)。另外，一些相機(jī)提供一個(gè)r＝0.25的r校正來增強(qiáng)中灰度級(jí)。r校正用于監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)很有用，而在測(cè)量中作用稍小一些。

如在前一節(jié)所述，電子快門用于控制CCD芯片的曝光時(shí)間。如果物體照明不好，電子快門速度就需要慢些，以增加曝光時(shí)間。視頻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小的快門速度為對(duì)于CCIR標(biāo)準(zhǔn)1/50秒，對(duì)于EIA標(biāo)準(zhǔn)1/60秒。

如果物體要運(yùn)動(dòng)，最小的快門速度會(huì)高一些，結(jié)果，要求的1V的視頻信號(hào)幅度就可能達(dá)不到。這種情況下，就需要利用增益控制來放大信號(hào)。最大增益通常為1：10或1：20。

如果這還不夠，就要運(yùn)用長(zhǎng)時(shí)間的積分。這些放大器可以是自動(dòng)運(yùn)行的也可以是手動(dòng)運(yùn)行的。在自動(dòng)增益控制（AGC）模式中，放大器調(diào)整自己來輸出幅度為1V的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)。這對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)適用但對(duì)測(cè)量就不大適用。由于這里我們通常用控制照明工作，最好將相機(jī)調(diào)到手動(dòng)增益控制模式，那么相機(jī)操作器就會(huì)根據(jù)指定條件設(shè)置精確的增益。

如果圖像采集卡從一個(gè)輸入視頻信號(hào)切換到另一個(gè)輸入視頻信號(hào)，采集卡通常需要獲得穩(wěn)定的圖像需要幾楨的時(shí)間（這段時(shí)間用于從復(fù)合視頻信號(hào)中提取同步頭）。而且這一影響經(jīng)常被低估了，這是很煩人的。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，需要多個(gè)相機(jī)同時(shí)拍攝同一工件的不同工位或不同視角，這樣就希望所有的視頻輸入信號(hào)是垂直同步的，這一過程的術(shù)語(yǔ)就是外部同步或同步鎖相，這樣就可以避免相機(jī)間捕獲圖像的時(shí)間差異。圖所示為三種相機(jī)間的同步方法。

最簡(jiǎn)單的（圖a）是靠建立一個(gè)同步鏈，從一個(gè)相機(jī)的視頻輸出用于下一個(gè)相機(jī)的同步輸入，顯然，相機(jī)之間的信號(hào)遲延可能會(huì)導(dǎo)致一些問題。如果同步必須是很精確的，就應(yīng)該使用一個(gè)外部同步發(fā)生器如圖b所示。

通常一些相機(jī)接受水平同步和垂直同步為TTL電平而且很多的中高端圖像采集卡都可以提供，因而用采集卡的同步輸出同樣能夠進(jìn)行相機(jī)間的同步，但在使用采集卡的同步輸出時(shí)需要注意的是它的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，大部分圖像采集卡在同時(shí)驅(qū)動(dòng)三個(gè)以上相機(jī)同步時(shí)需要增加中繼或功率放大器。

相機(jī)同步方式（從左向右依次為a,b,c）

對(duì)于區(qū)分一個(gè)CCD芯片的系統(tǒng)和三個(gè)CCD芯片的系統(tǒng)獲取的彩色圖像，有三個(gè)不同的系統(tǒng)可用于視頻信號(hào)輸出。這些輸出的術(shù)語(yǔ)為：復(fù)合， Y/C (also know as S-VHS) and RGB。從名字就可以看出，一個(gè)復(fù)合信號(hào)包含亮度信息和彩色信息。

亮度信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)CCIR和RS-170亮度信號(hào)是相等的，只是簡(jiǎn)單的疊加了彩色信號(hào)。彩色信號(hào)是根據(jù)PAL標(biāo)準(zhǔn)、SECAM標(biāo)準(zhǔn)、以及NTSC標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)彩色分量的復(fù)雜組成。顯然，這樣一個(gè)信號(hào)的組合會(huì)導(dǎo)致信號(hào)誤差，可能會(huì)引起圖像失真。因此，將亮度信號(hào)（Y信號(hào)）和彩色信號(hào)（C信號(hào)）分離是一個(gè)好想法。這種亮度/彩色相機(jī)是在性能和價(jià)格之間比較滿意的折中。對(duì)于高性能系統(tǒng)，強(qiáng)烈建議采取RGB方法。

RGB方法避免了彩色信號(hào)的組合，而是對(duì)三原色的每一種顏色使用各自的標(biāo)準(zhǔn)亮度信號(hào)。三個(gè)芯片的CCD相機(jī)通常都有RGB輸出，因?yàn)槠茐倪@種帶有不充分的復(fù)合信號(hào)或者亮度/彩色輸出信號(hào)的相機(jī)的質(zhì)量沒有任何意義。高質(zhì)量的單芯片CCD相機(jī)提供所有的三路輸出，中等質(zhì)量相機(jī)丟棄RGB輸出，單彩色相機(jī)僅僅使用復(fù)合信號(hào)。

像素時(shí)鐘

像素時(shí)鐘是用以驅(qū)動(dòng)CCD上的移位寄存器的高速時(shí)鐘，它將輸入的模擬視頻信號(hào)采樣為單個(gè)的像素值。像素時(shí)鐘輸出可以由相機(jī)或圖像采集卡提供。有可能使用圖像采集卡的鎖相環(huán)PLL（Phase－Locked Loop）來產(chǎn)生像素時(shí)鐘，PLL使用一個(gè)參考電平，這個(gè)參考電平可以來自采集卡的板內(nèi)晶振，對(duì)于周期的脈沖電平也可以來自外部的行同步信號(hào)。

通常用像素抖動(dòng)（Pixel Jitter）來衡量像素時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，它測(cè)量的是像素時(shí)鐘的脈沖上升沿相對(duì)于水平同步信號(hào)下降沿的偏差，其以單位納秒為單位。

像素抖動(dòng)是模擬/數(shù)碼轉(zhuǎn)換過程中不可避免的，它可能是相機(jī)（其內(nèi)部的像素時(shí)鐘或水平同步信號(hào)） 引入的，也可能是圖像采集卡的鎖相環(huán)（其可以引入附加的像素抖動(dòng)）引入的。

作為像素抖動(dòng)的結(jié)果，輸入的視頻信號(hào)可能會(huì)被提前或滯后采集了，這樣就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字化的像素與相機(jī)采樣的像素不一致，對(duì)于連續(xù)的視頻就會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。從圖像采集卡的鎖相環(huán)產(chǎn)生的基于穩(wěn)定的參考電平的像素時(shí)鐘可以將像素抖動(dòng)降低在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。

如果像素時(shí)鐘足夠精確，視頻信號(hào)應(yīng)該在圖所示的“P”處抽樣并通過參考電平完成灰度轉(zhuǎn)化，但由于受到像素抖動(dòng)的影響，視頻信號(hào)可能被抽樣過早或過晚（圖中設(shè)定像素抖動(dòng)引起的誤差為±x ns）,這樣就導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的灰度值與理想值相對(duì)低了或高了。通常對(duì)圖像質(zhì)量要求很高（比如用于高精度的測(cè)量）的圖像采集卡像素抖動(dòng)都控制在±3 ns之內(nèi)。

正如前面所討論的，視頻信號(hào)的同步無一例外的都是基于水平和垂直同步脈沖的。不過，視頻標(biāo)準(zhǔn)卻沒有要求精確的像素（pixel-wise）同步。因此，CCD芯片的像素映射到計(jì)算機(jī)時(shí)受到像素抖動(dòng)的影響就不是很精確。

雖然可以通過預(yù)映射誤差，然后編制程序?qū)ο袼囟秳?dòng)引起的誤差進(jìn)行標(biāo)定或補(bǔ)償，然而高精度的測(cè)量以及亞像素算法要求精確的像素描述，因此這種解決辦法并不能被接受。

圖表明了對(duì)這一問題更好的硬件解決方法。圖像采集卡必須控制基于像素時(shí)鐘的視頻輸入信號(hào)的抽樣率。以測(cè)量為目的的圖像采集卡將使用外部像素時(shí)鐘代替內(nèi)部時(shí)鐘成為可能。在一些以測(cè)量為目的的應(yīng)用，圖像采集卡輸出像素時(shí)鐘來影響給圖像采集卡。

因此每一個(gè)像素的傳輸都有嚴(yán)格的控制。最開始采集卡將提供一個(gè)像素時(shí)鐘信號(hào)給相機(jī)，接著相機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)新的像素時(shí)鐘信號(hào)并且與視頻信號(hào)一起反潰給采集卡，這樣才可以確保輸入的為同相視頻信號(hào)且通過像素時(shí)鐘來數(shù)字化（或稱采樣）視頻信號(hào)，相位不準(zhǔn)可能來自相機(jī)內(nèi)部的電路遲延。

減小像素抖動(dòng)的方法

逐行掃描

大多數(shù)顯示器和相機(jī)都是以隔行方式掃描，但實(shí)際上人眼看來仍然像一個(gè)平滑的圖像，相機(jī)一般先獲取圖像的奇數(shù)行，對(duì)于CCIR標(biāo)準(zhǔn)，它在1/50秒后再獲取偶數(shù)行，而對(duì)于EIA標(biāo)準(zhǔn)，在1/60秒后再獲取偶數(shù)行。

在機(jī)器視覺應(yīng)用中，物體通常移動(dòng)很快。當(dāng)利用隔行掃描相機(jī)時(shí)，在兩場(chǎng)之間可能物體都有移動(dòng)，結(jié)果就會(huì)是一副模糊的圖像，就像是兩次曝光或者是在垂直邊緣有梳狀效應(yīng)。

為了解決這種影響，可以將隔行掃描相機(jī)設(shè)成只掃描一個(gè)場(chǎng)，這樣垂直分辨率將會(huì)減半，而幀采集速率將會(huì)提高一倍，相機(jī)的這種操作被稱為場(chǎng)模式，或者非隔行輸出，對(duì)許多機(jī)器視覺應(yīng)用都很有用，場(chǎng)模式還能夠提供敏感度加倍的好處，由垂直像素BINNING得到（像素BINNING是指CCD傳感器的一個(gè)特殊讀出模式，傳感器將2個(gè)或多個(gè)像素綁定到一起鎖定，從多個(gè)像素積累的電荷求和），場(chǎng)模式雖然可以提高幀速度、敏感性以及信噪比，但會(huì)降低分辨率，在要求對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的物體完全垂直分辨率的應(yīng)用中，應(yīng)該使用逐行掃描相機(jī)。

觸發(fā)機(jī)制

假設(shè)流動(dòng)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品必須由視覺系統(tǒng)來檢測(cè)。單個(gè)產(chǎn)品的圖像必須在它被置于在相機(jī)前某個(gè)確定的時(shí)間被取得，視覺系統(tǒng)對(duì)外部事件的及時(shí)響應(yīng)即為觸發(fā)，觸發(fā)可以通過軟件實(shí)現(xiàn)也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)。一般情況下，當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)它觸發(fā)采集卡并同時(shí)觸發(fā)相機(jī)的重啟信號(hào)。另外，同時(shí)觸發(fā)頻閃器也可以幫助凍結(jié)運(yùn)動(dòng)物體的圖像。

觸發(fā)后相機(jī)總會(huì)有個(gè)響應(yīng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體最好能夠精確控制，普通的面陣相機(jī)（沒有異步觸發(fā)）總是等一幀掃描完，對(duì)于N制式的相機(jī)來說這個(gè)觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間就會(huì)至少有0~33ms之間的不確定時(shí)間，如果采集卡尋找同步點(diǎn)的時(shí)間再長(zhǎng)一點(diǎn)，這個(gè)不確定的時(shí)間長(zhǎng)度又增加了，這段時(shí)間內(nèi)物體有可能已經(jīng)運(yùn)動(dòng)出了視場(chǎng)區(qū)域。

為了加快相機(jī)的響應(yīng)速度，就出現(xiàn)了異步重置（Asynchronous）功能，靠采集卡給相機(jī)施加外部時(shí)鐘。當(dāng)相機(jī)被異步重置，除了像素時(shí)鐘，HD和VD（或相機(jī)寫允許脈沖WEN）信號(hào)都被重置了。采集卡一般都是被動(dòng)的帶著相機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相機(jī)的HD和VD（或WEN）信號(hào)分別控制采集卡的水平掃描時(shí)鐘和楨掃描時(shí)鐘，而相機(jī)的像素時(shí)鐘則用以控制采集卡的A/D轉(zhuǎn)換。

而異步重置又分為行異步方式（相機(jī)被觸發(fā)后在下一個(gè)HD信號(hào)立刻回起點(diǎn)進(jìn)行掃描）和像素異步方式（CCD在觸發(fā)后的下一個(gè)像素時(shí)鐘就立刻從頭掃描，這樣可以更加迅速響應(yīng)來獲取觸發(fā)瞬間的圖像）。如圖為外部信號(hào)觸發(fā)（external trigger）相機(jī)異步重置的信號(hào)信連接以及時(shí)序圖。

理論上觸發(fā)原則是很簡(jiǎn)單描述的，但實(shí)際上可能有些麻煩。由于觸發(fā)機(jī)制是非標(biāo)準(zhǔn)的，每一個(gè)相機(jī)和采集卡都有它自己的特性，觸發(fā)圖像處理系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)方面的很多知識(shí)。

觸發(fā)機(jī)制

長(zhǎng)時(shí)間積分

如果最長(zhǎng)的積分時(shí)間以及最大的增益并不能滿足低光照條件的要求，就必須延長(zhǎng)積分時(shí)間。但顯然，噪聲的影響會(huì)隨著積分時(shí)間的延長(zhǎng)而加強(qiáng)。在室溫條件下，積分時(shí)間不能夠超過10秒。如果圖像是絕對(duì)靜止的，連續(xù)拍攝的幾副圖像相加就能夠減少噪聲。第二個(gè)解決方法就是冷卻CCD芯片，從噪聲產(chǎn)生一開始就將之減小。通過空氣冷卻的辦法，積分時(shí)間可以延長(zhǎng)到15分鐘；通過水冷卻的辦法，積分時(shí)間可以延長(zhǎng)到3個(gè)小時(shí)。由于長(zhǎng)時(shí)間的積分并不適應(yīng)視頻標(biāo)準(zhǔn)，因此，這種相機(jī)通常都有一個(gè)緩存來存儲(chǔ)當(dāng)前圖像，直到新一個(gè)積分完成。