关于机器视觉中的传感器和像素分析介绍-电子发烧友网

作者 John Gabay, Mouser Electronics

视频监控的好处多多，作为一组远程眼线，视频监控可以在异地位置某个点上以虚拟形式出现在现场。更重要的是，摄像头可以覆盖一大片连续视野，能够稳定的移动照相并同时保持持续的扫描搜索模式。

视频系统也能在人类无法到达的地方继续发挥作用。已知最早的视频监控技术用于1942年开发和发射的V-2火箭的安全监控。在一个安全的距离之外，科学家和工程师可以远程观察火箭的表现，并确定故障。

此后，视频系统已经成为人类眼睛和耳朵的扩展延伸之物。技术及制造的不断发展与进步，促使视频监控质量也在不断提升，目前我们已经可以安心地依靠它来从事安全防范。

光线的秘密

感光材料可以根据光的存在与否改变其电阻或电导。早期的单色视频系统，如20世纪50年代的RCA视像相机系统使用带有感光硒板的真空管，这个硒板充当被感测图像的焦平面。

电子束将扫描该感光板，在精确时间量下生成的电流正比于命中感光板的光线数量。因此，光栅扫描管产生电子视频信号，这些信号可以容易地进行长距离传输。CRT电视再以相反的顺序使用这些信号，通过电子束扫描荧光屏，从而重现图像中光强度相符的光线。

曾经几十年间，视频只能单色感测和实时显示图像。为创建彩色传感器，在每个传感器的前面放置了滤色片，将相应光的模拟电平限制在匹配原色彩的强度上。在电子束的路径中放置色磷光体，以生成相应色光。色同步信号晶体的出现有助于在视频信号中同步色分量。

随着时间的推移，这些真空管取得了稳步发展并不断改进，包括更高分辨率，更低功耗，更小制造成本以及更高可靠性。闭路电视（CCTV）和广播产业随之诞生，并以更快的步伐推动持续进步。

不利的一面是，这些技术中采用易碎的玻璃，并且电路中的电压也变得更高。尺寸约束导致基于电子管图像传感器的外形很大，组装起来很笨重。多亏了现代半导体技术，这种局面最终得以转变。

固态传感器技术

在70年代初，电荷耦合器件（CCD）进入人们的视野，它将带有存储器件的精密阵列与半导体制造进行了有机结合。阵列中的单个光敏图像元件传感器同步地设置对应触发器的状态。反过来，这些传感器连接成菊花链架构，整体表现像一个移位寄存器。通过时钟驱动移位寄存器将生成一个同步视频流。

最初一维传感器阵列应用在扫描仪和传真机等设备中，二维和最终彩色CCD版本的出现，使视频图像传感器的尺寸大幅缩小，同时也降低了功耗需求。

不再需要人工参与

由于缺乏可用的记录技术，早期的CCTV系统需要人工观察，并且观察者只有一次机会从检测到的事件中提取尽可能多的信息。而这之后，图像将永远消失。

这样的CCTV系统中，由人类进行场景识别，检测关注的活动，并作出决策确定是否警报。本质上来说，在报警环路中某个人充当了控制处理器，这个人来做出一位信息的决策，即是否触发报警器。

线性CCD传感器开始改变这一状况，因为它具备读取条形码和识别模式的编程能力。在现代电话、数码相机和机器视觉系统中，使用的两维传感器提升了分辨率和扩展了光谱感光度，同时减少了尺寸和功耗并降低了外部透镜组件的需求。

机器视觉与人工智能结合在一起，衍生了新一代监视系统，这样的系统中需要更少的人工参与，具备更低的成本以及更高水平的目标可编程检测（以及追踪）能力。这些需求也推高了工程师的设计水准，他们需要使用前所未有的更高处理能力的部件来集成更高级别的功能。

设计难题和关注

如果没有现代存储器的高速存取和高集成度，如果没有现代嵌入式处理器的强大性能，下一代智能监控系统就无法保证合理的成本和尺寸大小。其中的一个主要原因是，每增加点图像分辨率，都将给系统设计的其余部分带来新的负担。

较早的8位4 MHz传统处理器在帮助设计师实现早期数字控制环路和信号处理和实时控制中所需的数字技术是够用的，但在解决智能安防需求时速度却不够快。其主要原因可以归结为对内存需求的指数级增长。

例如，一个简单的传统复合视频摄像机拥有总计525条的扫描线，并且每条线都可能使用不同的采样速率。其中的二十一条用于垂直消隐。在低端方面，现代CCD图像传感器的数字分辨率起始于¼VGA（320×240）。

在¼VGA的分辨率上，需要76800个字节来表示一帧（8位分辨率时）。使用8位RGB技术（一个字节来表示红色、绿色和蓝色），字节数将达到230400。这两种情况都超出了传统处理器的寻址范围。

随着分辨率增加，内存需求也大幅上升。即使在640×480的VGA分辨率下，一个单色帧也需要307,200字节，而在使用24位颜色调色板时彩色帧则需要近1兆字节。

数据量需求还要继续膨胀。在每秒30帧（这是典型的闪烁融合率）时，需要近28兆字节来缓冲一秒的VGA视频。下面几种常见视频标准分辨率的比较也突显了日益苛刻的约束。