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高精度8K像素线阵CMOS的扫描式全画幅成像系统分析 摘要 　　随着近年我国工业自动化的普及，应用于工业领域的机器视觉技术发展十分迅速。机器视觉技术是工业自动化不可或缺的一环，主要应用于工业流水线的产品检测、测量和控制，而工业相机的使用是机器视觉技术最重要的部分。 　　本文将介绍对以型号为LA-CM-08K08A-00-R的线阵CMOS相机为核心的成像系统进行一体化软件封装的过程，其中封装的软件包括相机图像采集软件、自动化导轨控制软件以及光源的控制软件。根据相机芯片的特点，将该成像系统命名为高精度8K像素线阵CMOS的扫描式全画幅成像系统。 　　本文首先介绍当前机器视觉技术和工业相机芯片的发展现状及发展方向，通过展现该成像系统的构成、对比 CMOS芯片和CCD芯片的特点等方式，说明高精度线阵CMOS相机在工业领域应用的优缺点；然后，对已有的软件编写使用手册，并以此筛选出软件封装一体化所需要的参数；最后，完成一体化软件封装，验证封装完成情况，并对封装后的软件进行功能介绍。 　　本文所介绍的高精度8K像素线阵CMOS的扫描式全画幅成像系统在工业领域具有较为广泛的应用前景，完成其一体化软件封装对工业应用具有现实意义。 关键词：机器视觉技术，工业相机，线阵CMOS，成像系统，一体化软件 1绪论 1.1背景 1.1.1机器视觉技术 　　机器视觉技术，顾名思义，是一种用计算机来人的视觉功能的技术。机器视觉不仅能够像人类的视觉一样采集客观事物的图像、提取信息，还能像人的大脑一样，对这些信息进行处理甚至理解，并传输到计算机中进行后续使用。在工业领域中，通过机器视觉技术与大规模系统集成技术，基本可以实现工业自动化。机器视觉系统则是指通过图像摄取装置抓取图像，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作的一套完整系统[1]。 　　在工业自动化生产过程中，机器视觉技术通常被应用于工况监视、成品检验和质量控制等过程[2]。而在其他领域，机器视觉技术也有很多应用，例如：无人机可以探测人类视觉难以企及的高空环境；人工智能机器人使用了机器视觉技术作为判别机器人行动的准则；机器视觉为人类远距离操作危险作业提供便捷等。机器视觉技术正在改变着人们的日常生活。 　　机器视觉伴随计算机技术、现场总线技术的发展，技术日臻成熟，已是现代加工制造业不可或缺的一环[3]。机器视觉的引入，代替传统的人工检测方法，极大地提高了投放市场的产品质量，提高了生产效率，研究机器视觉技术对了解工业自动化进程有重要作用。 1.1.2 CMOS图像传感器与CCD图像传感器 　　CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)互补金属氧化物半导体图像传感器，它主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，半导体上形成PN结，PN结导通形成的电流经过处理后即可用作记录和解读成图像信息 [4]。 　　CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件图像传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能存储由光产生的信号电荷。对CCD施加特定时序的脉冲，信号电荷通过模数转换器芯片可以转换成数字信号，再解读成图像信息[5]。 　　CCD与CMOS图像传感器的区别主要体现在成像过程、噪声、集成性等方面[4]。在成像过程中，CCD与CMOS图像传感器把光信号转换成数字电荷信号的方法十分相似，但是他们的数字电荷信号读出过程却有很大区别：CCD仅有一个或少数几个输出节点，因此会有良好的信号输出一致性，固有噪声也会较少[6]；CMOS则是每个像元都有独自的信号放大器，独自进行电信号转换数字信号的过程，因此信号输出一致性较差，在成像像素较高的时候固有噪声也会相应变多。在读出图像信号时，CCD要求输出放大器的信号带宽较宽，较之每个像元输出放大器带宽要求较低CMOS，功耗十分高，一般要求12V——18V的外加电压[7]。在制造工艺方面，CCD制造流程复杂，技术要求高，仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，而CMOS的制作工艺流程则与普通计算机芯片差异不大，同时，CMOS能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能 [8]。因此，CMOS较CCD有着更高的集成性和更低的价格，在工业领域有着较大优势。 　　在早期，CCD图像传感器的成像质量比CMOS要好，采集速度更快，分辨率也更高，因此，相机芯片以价格较高的 CCD为主流，价格较低的CMOS芯片较少。但是，随着实际应用需求的转变与制作工艺的提升