第九节　视觉传感器

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2-23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一个智能图像采集与处理单元，如图2-24所示，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。

一、CCD图像传感器

CCD（Charge-Coupled Device）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，其外形如图2-25所示。

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，但它是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。

二、CMOS图像传感器

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）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，和CCD的原理相同，其外形如图2-26所示。

CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、视觉识别等各个领域。

三、图像传感器主要参数

CCD和CMOS图像传感器的主要参数有像素、帧率、靶面尺寸、感光度、信噪比和电子快门等。

（1）像素　图像传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元都对应着一个像素。所以，像素越多，代表着它能够感测到的物体细节越多，从而图像就越清晰。

（2）帧率　帧率代表单位时间所记录或者播放的图片的数量，连续播放一系列图片就会产生动画效果，根据人的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/s的时候，人眼就基本看不出来图片的跳跃；在达到24～30幅/s之间时就已经基本觉察不到闪烁现象。每秒的帧数或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。

（3）靶面尺寸　靶面尺寸也就是图像传感器感光部分的大小。一般用英寸（1in=0.0254m）来表示，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有1/3in。靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2in可以有比较大的通光量，而1/4in可以比较容易获得较大的景深。

（4）感光度　感光度代表通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高，这在拍摄运动车辆、夜间监控的时候尤其显得重要。

（5）信噪比　信噪比指的是信号电压对于噪声电压的比值，单位为dB。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为45～55dB：若为50dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60dB，则图像质量优良，不出现噪声，信噪比越大说明对噪声的控制越好。

（6）电子快门　电子快门用来控制图像传感器的感光时间，由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累，感光越长，信号电荷积累时间也越长，输出信号电流的幅值也越大。电子快门越快，感光度越低，因此适合在强光下拍摄。

四、CCD和CMOS图像传感器的差异

CCD和CMOS图像传感器具有以下差异。

（1）制造上的差异　CCD和CMOS同为半导体，但CCD是集成在半导体单晶材料上；CMOS是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传感器连续扫描，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 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此在相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

（5）分辨率的差异　CMOS每个像素的结构比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CMOS。

（6）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，对比单一个放大器的CCD，CMOS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制程，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壅塞，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CMOS。

（8）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的电量远高于CMOS。

CCD和CMOS图像传感器的比较见表2-5。

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。

五、视觉传感器的应用

视觉传感器在智能网联汽车上的应用是以摄像头的方式出现，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，如图2-27所示。

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，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。

目前，汽车上使用的视觉传感器主要型号见表2-6，表中报价仅供参考。

超声波传感器、激光雷达、毫米波雷达和视觉传感器作为主要的环境感知传感器，它们的选择需要综合考虑其性能特点和性价比，它们之间的比较见表2-7。