视觉传感器主要用于自适应巡航控制系统、车道偏离预警系统、车道保持辅助系统、汽车并线辅助系统、自动刹车辅助系统中的障碍物检测和道路检测等。 摄像头有单目摄像头和双目摄像头2种。 单目摄像头是利用摄像头采集车辆前方路况信息,并依靠数据库中保存的物体标志性特征轮廓识别前方物体,从而依靠独立的算法计算出物体与车辆的距离和接近速率。单目摄像头的优点是成本低廉,能够识别具体障碍物的种类,识别准确;缺点是由于其识别原理导致其无法识别没有明显轮廓的障碍物,工作准确率与外部光线条件有关,并且受限于数据库没有自学习功能。 双目摄像头可以通过视频接收信号计算出汽车与其他物体间的距离。双目摄像头的优点是功能较单目摄像头更强大,探测距离更准确,探测距离更远;缺点是成本高于单目摄像头。 摄像头有红外摄像头和普通摄像头之分,红外摄像头既适合白天工作,也适合黑夜工作;普通摄像头只适合白天工作,不适合黑夜工作。目前使用的主要是红外摄像头。 广义的视觉传感器主要由光源、镜头、图像传感器、模数转换器、图像处理器、图像存储器等组成,如图4-198所示,其主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。把光源、摄像机、图像处理器、标准的控制与通信接口等集成一体的视觉传感器常称为个智能图像采集与处理单元,内部程序存储器可存储图像处理算法,并能使用PC机,利用专用组态软件编制各种算法并下载到视觉传感器的程序存储器中,视觉传感器将PC机的灵活性、PLC的可靠性、分布式网络技术结合在一起,用这样的视觉传感器和PLC可以更容易地构成机器视觉系统。 狭义的视觉传感器是指图像传感器,它的作用是将镜头所成的图像转变为数字或模拟信号输出,是视觉检测的核心部件,主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器。
CCD图像传感器CCD( charge-coupled device)的中文全称为电荷耦合元件,CCD图像传感器主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成CCD是一种特殊的半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号,CCD上植入的微小光敏物质称作像素,一块CCD上包含的像素数越多,它提供的画面分辨率也就越高,CCD的作用就像胶片一样,但它能把光信号转换成电荷信号,CCD上有许多排列整齐的光电二极管,能感应光线,并将光信号转变成电信号,经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号由于CCD的体积小、成本低,所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中,目前大多数数码相机采用的视觉传感器都是CCD(2)CMOs图像传感器CMOS( complementary metal oxide semiconductor)的中文全称为互补性氧化金属半导体。CMOS图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器主要利用了半导体的光电效应,其与CCD的原理相同。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样,可用于自动控制,自动检测、摄影摄像视觉识别等各个领域CCD和CMOS图像传感器的主要参数有像素、顿率,靶面尺寸、感光度、信噪比和电子快门等CCD和CMOS图像传感器的差异如下①制造上的差异,CCD和CMOS同为半导体,但CCD集成在半导体单品材料上CMOS集成在金属氧化物的半导体材料上②工作原理的差异,主要区别是读取视觉数据的方法,CCD从阵列的一个角落开始读取数据:CMOS对每一个像素采用有源像素传感器及晶体管,以实现视觉数据读取③视觉扫描方法的差异,CCD传感器连接扫描,在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大;CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器④感光度的差异,CMOS每个像素都包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备缩单一像素的感光区域的表面积,因此在相同像素下,同样大小的感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD⑤分辨率的差异。CMOS每个像素的结构都比CCD复杂,其感光开口不及CCD大相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的分辨率通常会优于CMOS⑥噪声的差异。CMOS每个感光二极管旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有微小差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一一个放大器的CCDCMOS最终计算出的噪声就比较多。
⑦成本的差异。CMOS应用半导体工业常用的MOS制成,可以一次将全部周边设施整合于单芯片中,节省加工芯片所需负担的成本和良率的损失;相对地,CCD采用电荷传递的方式输出信息,必须另辟传输信道,如果信道中有一个像素故障,就会导致一整排的信号拥塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加ADC等,CCD的制造成本相对高于CMOS③耗电量的差异。CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12V以上,因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。
CCD摄像机和CMOS摄像机在使用过程还涉及诸多工作参数。就当前技术现状,CCD摄像机的灵敏度和解析度均比CMOS高,为了能够确保视觉识别的精度和准确度,一般选用CCD摄像机作为图像传感器。
