淺談CCD與CMOS相機(jī)差異，研華MIO-5375嵌入式單板電腦助力CCD機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用

發(fā)布人：12345zhi 時(shí)間：2022-11-17 來(lái)源：工程師

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本期機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用案例從相機(jī)開(kāi)始，先聊一聊經(jīng)常談到的CCD 相機(jī)與CMOS 相機(jī)，然后跟大家分享研華3.5”單板電腦MIO-5375在CCD 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。

CCD VS CMOS 成像原理

CCD全稱“Charge-coupled Device”，電荷耦合元件，需要外加電壓輸出電荷信息。CMOS全稱“Compementary Metal Oxide Semiconductor”，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，生成電荷自動(dòng)輸出。

CCD VS CMOS 成像原理

CCD與CMOS都是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，但是成像原理卻各不相同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最低端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出。而CMOS傳感器中，每個(gè)像素都緊接一個(gè)放大器和A/D轉(zhuǎn)換電路，層層轉(zhuǎn)換然后放大輸出。由于成像原理的不同，CCD與CMOS在如下幾個(gè)方面有著明顯差異。

1 分辨率與靈敏度

CMOS的單個(gè)像素單元包含了四個(gè)晶體管與感光二極管，其中包含了放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，使得每個(gè)像素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于像素本身；而CCD的成像單元只包含了感光元器件，因此在像素尺寸相同情況下靈敏度更高。同理，在相同尺寸的傳感器時(shí)，CCD的分辨率往往要優(yōu)于CMOS。

2 噪聲差異

CCD是電荷逐級(jí)傳遞的成像設(shè)計(jì)，各個(gè)像素匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理，可以保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)出現(xiàn)失真，且只有一次放大，噪聲?。欢鳦MOS成像的數(shù)據(jù)是每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)單獨(dú)放大，會(huì)產(chǎn)生疊加噪聲，影響成像質(zhì)量。

3 集成性與成本

CMOS傳感器現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同，從而生產(chǎn)成本可以降低，同時(shí)可以將周邊電路，如ADC，DSP等必需電路集成到傳感器芯片中，節(jié)省外圍電路成本且集成性高。而CCD制造難度高，少數(shù)廠家掌握生產(chǎn)技術(shù)，成本高居不下，并且CCD采用電荷傳遞的方式傳遞數(shù)據(jù)，只要其中一個(gè)像素不能運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致整排的數(shù)據(jù)無(wú)法傳送，因此控制CCD傳感器的成品率成本比CMOS高很多，且大多數(shù)CCD產(chǎn)品在半年內(nèi)良率往往都低于50%。

4 功耗差異

CMOS 屬于被動(dòng)采集，感光二極管產(chǎn)生的電荷會(huì)直接從晶體管放大輸出，3.3V即可運(yùn)行；但是CCD 傳感器屬于被動(dòng)式采集，需要額外加壓使得每個(gè)電荷移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓需要12-18V，功耗相對(duì)較高。

通過(guò)以上對(duì)比，我們知道CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、高集成性的特點(diǎn)，所以諸如手機(jī)、相機(jī)、電腦等小型移動(dòng)式設(shè)備考慮到經(jīng)濟(jì)性與功耗，會(huì)選擇CMOS相機(jī)；而在機(jī)器視覺(jué)等工業(yè)場(chǎng)景中，考慮到成像可靠性與靈敏度，往往都選擇CCD 相機(jī)。

CCD機(jī)器視覺(jué)客戶應(yīng)用

華南地區(qū)某知名CCD視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備制造商，其產(chǎn)品包括CCD視覺(jué)檢測(cè), CCD視覺(jué)定位, 視覺(jué)元器件, 連接器檢測(cè)等，廣泛應(yīng)用于3C電子、連接器、手機(jī)、鋰電、FFC、FPC、五金件等行業(yè)，同時(shí)為各種工業(yè)應(yīng)用提供包括視覺(jué)檢測(cè)、視覺(jué)識(shí)別、視覺(jué)定位等全套的機(jī)器視覺(jué)解決方案。

客戶的機(jī)器視覺(jué)控制器的主要需求是多個(gè)Intel網(wǎng)口，高實(shí)時(shí)性控制，以及緊湊的尺寸結(jié)構(gòu)。研華為客戶提供了MIO-5375 3.5”嵌入式單板電腦搭配MIOe-220 3網(wǎng)口擴(kuò)展卡的解決方案，可以提供5個(gè)Intel Lan，以便客戶產(chǎn)品連接多個(gè)外部設(shè)備。此方案基于Intel 11th Core平臺(tái)，可以提供高性能算力，滿足客戶對(duì)于實(shí)時(shí)控制的需求。此外，研華的嵌入式單板產(chǎn)品尺寸緊湊，強(qiáng)固可靠，8K/15K的ESD以及2K EFT 的防護(hù)，可以保證嚴(yán)苛工廠環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

MIO-5375 3.5 嵌入單板電腦