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如何为视觉应用选择合适的高速相机?

点击次数:  更新时间:2017-2-21 16:07:32  【打印此页】  【关闭

随着低成本CMOS图像传感器的出现,高速相机正变得越来越普及。这些相机正越来越多地出现在包括科学、运动分析和汽车碰撞测试等诸多应用中。

然而,该如何决定哪种类型的高速相机最适合特定应用呢?在此之前,我们必须仔细考虑诸如帧率、分辨率、存储容量,以及相机到计算机之间的接口类型。同样重要的是,还要考虑相机可以支持哪种类型的镜头、采用哪种类型的照明能产生最高对比度的图像。

快门速度

由于高速成像应用通常是高度特定化的,因此需要平衡好这些技术参数,才能选出最具成本效益的相机。两个最重要的考虑因素是相机的最小快门速度和最大帧率。

虽然快门速度是单幅图像的曝光时间,但是最大曝光时间永远不能超过1/帧率。1/1000秒的快门速度,并不与1000fps的帧率直接相关,因为可以在每帧1/1000秒的曝光时间下,将相机的帧率设置为较慢的速率(例如30fps)。

因此,使用1/1000秒的曝光时间和30fps帧率,与曝光时间1/500秒和相同帧率(30fps)作比较,由于每帧曝光的时间更短,运动模糊将减至最小,结果前者拍摄出的图像相对更为清晰。

如果选择使用快速曝光时间,很可能需要增加对被拍摄物体的照明。

对于图像中任意想要得到的对比度,如果曝光时间减半,无论传感器的灵敏度如何,照明强度都需要加倍。换句话说,为了获得同样的成像效果,如果将曝光时间缩短一半,就必须将照明强度翻倍。你需要在一半的时间内以,相同数量的光子撞击传感器,以获得同样光照的图像。Vision Research公司市场营销副总裁说道。

尽管使用快速透镜可以捕获到更多的光,高速相机中探测器的灵敏度也是同等重要的考虑因素,因为随着灵敏度的提升,曝光时间可以减少。

ISO标准

一些高速相机制造商使用国际标准化组织(ISO)的标准来规定该灵敏度。虽然ISO12232定义了三种方法来测量ISO灵敏度,但最常用的做法是将灵敏度与相机系统饱和所需的曝光度相互关联。于是,此项ISO值可以用来确定相机的标称曝光时间和/或照明要求。

在这种相机中,在图像传感器上使用色彩滤镜阵列(CFA),将减少在每个照相位置处捕获的光的数量,从而降低ISO等级。然而,ISO标准可以用于确定相机的灵敏度,但它与图像质量无关,因为提高相机增益可以用于增加ISO速度,但要以增加图像噪声为代价。

提高灵敏度

为了提高高速相机的灵敏度,许多制造商使用具有高量子效率和高填充因子的成像器。出于这点考虑,很多高速相机制造商选用具有大像素尺寸的成像器。

尽管增加像素尺寸可以提高相机的灵敏度,但是它们对所捕获图像的分辨率具有一定的负面影响,因为是以线-/毫米(line-pairs/mm)来测量的,那么较大像素相对较小像素的分辨率会略低。然而在很多高速成像应用中,这点可能不做重点考虑。

帧率

当选择一款高速相机时,除了要考虑相机的灵敏度这一重要参数外,相机的帧率也是一项需要考虑的重要参数。为了提高帧率,采用CCDCMOS成像器的相机制造商会使用不同的技术。针对CCD相机,使用一种称为局部扫描的技术,从成像器的中心部分读取可变带(variable band),减少从CCD的每个像素输出电荷的需要,从而增加帧率。

而在使用CMOS成像器的相机中,该感兴趣区域(ROI)的宽度和高度都可以变化,增加了可获得帧率的灵活性。例如,在Q-MIZE HD v2相机的设计中,瑞士AOS Technologies公司使用一个1920×1080CMOS成像器,其允许相机在多种模式下工作——1920×1080分辨率下,可获得1,000fps的帧率;在1024×10241280×720853×480分辨率下运行时,相机可获得的拍摄帧率分别为2000fps2500fps5000fps

捕获图像数据

当相机在高帧率下工作时,图像数据要么在相机上捕获,要么通过高速接口传送到主机。在那些需要便携相机和非连接相机的应用中,相机必须捕获到相对较长时间内的图像序列。然而在高速应用中,这种较长时间可能仅有几秒钟,因为相机可以在特定时间点被触发、捕获一个事件的图像。

对于其他应用,可以在相机上捕获更长时间段内的图像数据。诸如Fastec Imaging公司推出的TS5-D便携式高速相机,其使用2560×2048CMOS成像器,能以634fps的帧率捕获全分辨率高清图像,并存储到8GB内存中。为了将这些图像以大约20GB/min的速度存储到相机板卡上,相机的内部硬盘容量必须高达1TB;或者,相机直接将这些图像数据存储到SSD卡上,这大约需要花上35分钟的时间。相机的千兆以太网端口(GigE)允许图像序列以高达90MB/s的速率传输到主机上,用于后期分析。

如同Fastec Imaging一样,德国Mikrotron公司也提供了一系列便携和非便携式高速相机。例如,Mikrotron公司的EoSens4CXP相机,采用CoaXPressCXP)接口,能以超过2000fps的帧率拍摄分辨率为2336×1728的图像(640×480 ROI模式),并以高达25Gbit/s的速率将图像数据传输到位于100米以外的主机上。

2006年以来,Vision Research公司就提供了其CineMag接口,其能在相机上实现1G像素/秒的数据存储率。这样,相机能以1000fps的帧率捕获一百万像素的图像,然后通过10Gbit/s以太网接口将图像数据传输到计算机,用于后续下载。

今天,高速相机被广泛用于许多科学、工业、航空和汽车应用领域。为了满足这些应用需求,虽然许多高速相机制造商在其设计中使用了定制的多抽头CMOS成像器,但是随着具有更快数据速率的成像器不断涌现,已经使低成本的高速相机开始进入各个应用领域。


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