CCD(像素)与视觉系统的基础知识

CCD(像素)与视觉系统的基础知识

关于摄像元件 CCD

数码相机的构造与传统的胶片式相机(模拟式)基本相同。所不同的是数码相机中使用被称为 CCD 的光电转换元件代替胶片,图像则作为数字信息采入。
CCD 即相当于模拟式相机的胶片,那么它又是如何将图像转换为数字信号的呢?

摄像元件 CCD

CCD 是英语 Charge Coupled Device(电荷耦合元件)的缩写,是一种将图像转换为电信号的半导体元件。大小约为长宽各 1 厘米左右,由类似棋盘的格状排列的小像素 (pixel) 组成。

用相机拍摄风景时,拍摄对象发出的光通过镜头在 CCD 上成像。光到达 CCD 的某个像素时,将根据光的强度产生相应的电荷。将该电荷的大小读取为电信号,即可获得各像素上光的强度(浓度值)。

1/1.8 型(约 9mm)

换言之,每个像素都是一个可以检测光强度的传感器(光电二极管)。所谓 200 万像素 CCD 就是一个由 200 万个光电二极管构成的集合体。

在检测位置及检测物体的尺寸均已确定的情况下,使用一个光电传感器就可以检测该位置是否存在该物体。但是,在生产线上的位置不确定、工件有不同尺寸,或者不只是检查工件是否存在,而是要测量工件大小、尺寸时,则使用一个光电传感器是远远不够的。
通过使用由数十万或数百万个传感器构成的 CCD,可以实现包括第一页中所述的四种检查在内的多种检查或检测。

视觉系统中像素数据的活用方法

前面谈到,CCD 的各像素可以检测光强度并使之数字化,而利用数十万到数百万个这样的数据就可以实现视觉系统。不知道大家是否可以理解?
作为本讲的最后部分,下面将简单说明一下各像素将光强度作为何种数据传给控制器、而控制器又是如何处理这样的数据的。

各像的数据(以最常见的黑白相机为例进行说明)

亮度的 256 等级示意图

大部分图像传感器可以根据光强度将数据分为 256 个等级(8 位)。在最基本的黑白处理中,黑色(纯黑色)的数值为 “0”,白色(纯白色)的数值为 “255”,其它处于两者之间的颜色则根据光强度转换成其它数值。
换言之,CCD 的每一个像素都有一个位于 “0” (纯黑色)与 “255” (纯白色)之间的数值。例如,对于黑、白各占一半的灰色,其数值为“127”。

图像是 256 级数据的集合体

CCD 的图像数据是构成 CCD 的各像素的数据的集合。
像素数据用 256 级浓淡数据加以表示。

  1. 原图像
  2. 用 2500 个像素显示的左图
  3. 放大眼睛部分后用
    256 级数据加以表示
    眼睛中央部分较黑,周围较淡,因此中央部分的数值是 “30”,周围部分的数值是 “90”。

如上图所示,图像数据的每一个像素都可以用 0 ~ 255 中的某一个数值加以表示。所谓视觉系统是指对于每一个像素,按照下例中所示的计算公式进行计算,然后找到图像上有特征的地方。

例1:损伤/欠缺检查

将检测区域分为多个分割(数像素角),计算各分割的平均浓度(0 ~ 255),然后加以比较。浓度值超过一定值的区域被视为有损伤或欠缺。

计算 4 像素角分割的平均值,然后与周围进行比较。
如上图所示,在红色分割内检测到损伤。

CCD基础和视觉系统 总结

视觉系统器可以利用摄像元件 CCD 中各像素的 256 级浓度数据,检测面积(即像素数量)、位置(即浓度变化点)损伤(浓度变化量)等。
通过高像素化(增加信息量)及高速化(更利于生产线作业),可以使视觉系统器更好地应用于各种生产活动中。

下一讲将介绍“镜头与照明”。视觉系统是通过计算像素浓度数据的变化进行检测和处理。为了得到良好的检测效果,必须要有清晰的图像,而得到清晰图像的关键是“镜头”“照明”

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