機器視覺專用攝影機(CCD)

• 前言

對大多數致力於視覺檢測系統開發及檢測設備製造的業者來說，應該都不會否認一個既有的事實，那就是〝選擇壹部合適的攝影機〞，通常是設計整套視覺系統的首要之務，往往也是最後，該系統能否成功上線運轉的關鍵之所在。

就功能性而言，攝影機能將經過鏡頭(lens)投射在感測元件上的影像，傳輸至其它的硬體裝置或軟體裝置，做進一步的〝解讀〞之後，再加以儲存、分析或直接顯示於螢幕上。這些可能的裝置，包括一般的影像顯示器供做簡單地顯像、壹部錄影機可連續儲存動態拍攝之影像，或者是壹台電腦工作站，除了顯像、儲存之外，還可以分析與判讀擷取後之影像。

視訊攝影機技術的發明與運用，可以說已經有相當長的一段時期，直到後來，才完全被創新的電子藕合元件(Charge Coupled Device，簡稱CCD)技術所取代。大約在20 幾年前，攝影機的感測元件是使用所謂〝真空管〞式的Vidicon，外形尺寸幾乎可以用〝笨重〞二個字來加以形容之而猶不及，而且，訊號輸出的標準也僅受限於傳統電視的規範。

這種傳統式的技術，以現在的應用觀點來看，當然不適合大多數的工業用檢測系統及科學領域的研究目的，理由有很多，例如外觀尺寸過於龐大、不夠堅固或高剛性，但最主要的原因，乃是因為在上述兩種應用場合裡，必須制控攝影機的時序(Timing)，確保在物體進入視野(Field of View)範圍時，能同步捕捉到真正的影像。

• FA 專用攝影機

現有的視覺專用CCD，比起一般用的視訊攝影機附屬機能相對複雜，這些增加的功能，包括可供外部完全制御的時序、高速電子快門(shuttering)、曝光時間以及其它有關的重要特色，譬如分割取像(partial scanning)或binning。伴隨著半導體技術的不斷進步，這一類型的CCD 也更趨近小型化，成為視覺檢測機的必備取像裝置，廣泛地被運用於快速成長的產業製程與科學研究應用市場，逐漸取代早期的接觸式量測系統。實際上，更多的製造業者，尤其是高科技類別的製程，已經將機器視覺檢測系統視為品質控制、良率改善及生產自動化的利器之一。

以感測元件及取像原理來區分，視覺專用攝影機主要包括兩種型式：面掃瞄式(area-scan)及線形掃瞄式(line-scan)。

雖然，這兩種不同設計原理的攝影機，在應用技術上，採用完全不同的方法與架構，就檢測目的與應用領域而言，卻存在些許的重疊及可代替性，但兩者之間，某些基本的要素與觀念是共通的。本文內容，將著重於面掃瞄式(Area-Scan)攝影機的相關技術介紹。

• 面掃瞄式(Area-Scan)攝影機

〝面掃瞄式(Area-Scan)〞是指植入於攝影機的影像感測元件是採用2 維矩陣式，而這一名詞的由來，無非是要與運用單線形感測元件的〝線形〞攝影機(line-scan)做明顯的區隔與劃分。正常情況下，由面掃瞄式攝影機所拍攝之影像畫面長與寬比(aspect ratio )大約是4：3。這項參數或規範，乃根源於舊型的Vidicon tube 式的攝影機及至今仍然沿用的電視播放系統。不過，目前產品市場上所推出的最新款式攝影機，大都改選用1：1 的像素感測元件，而不再符合所謂〝標準視訊〞所制定的格式。

現在，攝影機所使用的影像感測器，是由所謂的電子藕合元件(Charge Coupled Devices)所組成(亦簡稱為CCD)，是一種將光量子(photons)轉換為電子電荷的光偶合材料，在每個2 維矩陣的影像感測器上，精密地排列出成千上萬個光二極體(即像素，pixels)，進行畫像的感光，再經由水平或垂直式的移動暫存器(registers)，將每顆像素所累積感應的電荷，依序傳送並輸出視訊信號。

CCD 感測元件的大小通常以英制為表示，但並不絕對表示與感測器的實際尺寸有必然相等的關係，同樣地，這祇是沿續早先〝Vidicon tubes〞式攝影機的一種泛稱。最常見或普遍於供應商與使用者之間，慣稱的〝尺寸大小〞主要有1/3〞、1/2〞或2/3〞等三種。

影像感測像素(pixel)的組成架構與排列方式的差異，形成不同型態的感測器(sensors)，而對採用不同感測器的攝影機的主要特徵與規格，也產生程度不等的影響。這些重要的指標參數，可以包括填充係數(fill factor)、電位井容量(Well capacity)、電子快門速度(shutter speed)及像素大小(pixel size)。

填充係數是指每個像素，實際可被用於感測入射光的面積百分比(%)。換句話說，最理想的狀況是100%，也就是表示含概整顆影像感應器的像素群。事實上，有些影像感測器裡必須嵌入輸出暫存器及抗溢流(anti-blooming)的電路設計，導致有效的填充係數降低至30%或以下，而僅能提供不佳的靈敏度(sensitivity)及產生參差不齊的畫質解析度。類似採用這種低填充係數感測器的攝影機(多半是以IFT CCD，Intel-Line Transfer 交錯式CCD)，為了避免衍生上述的負面效應，常利用微小的光學鏡片(tiny lens)，譬覆於每個像素之上，以便增加有效的填充係數百分比率。

另一項重要的參考依據，是指攝影機像素的〝電位井容量〞(Well capacity)，代表每個像素可容納電荷的多寡，或統稱為感測器的動態感應範圍(dynamic range)。一般而言，每個像素的尺寸及填充係數值愈大，感測器的靈敏度與電位井容量也就愈大。因此，每部攝影機的動態範圍，主要決定因素乃像素的電位井容量，而不像許多廠牌攝影機，以訊號輸出及數位化後的位元數來充當真正的動態反應範圍。

上面提及，攝影機或CCD 有幾種不同的型態，其彼此的差別主要是表現在感測器裡，每個像素傳送感應電荷的方式。交錯式(Intel- Line Transfer)的CCD 是最常見的一種型式，它是利用隔行間光遮蔽的移動暫存器，來進行瞬間儲存、傳送由感光像素所累積到的電荷。這類型攝影機的優點是可提供高速快門，但相較於其它不同型式的CCD，卻失去某幾項重要的特點，這些取捨的功能，包括低填充係數、低動態範圍或電位井容納量，以致降低畫像的整體品質。

• 視訊標準，交錯式？非交錯式？

在攝影機與其它經常搭配使用的硬體裝置，譬如電視螢幕、影像卡及錄影機(VCRs)之間的訊號傳輸，有幾種不同的標準規範，這些規範制定，可供不同裝置進行互相溝通的依據。

每一種標準所定義的視訊時序圖及圖像中，像素單元的總個數及排列方式，都不盡相同。這幾種標準，早在數十年前，就經由不同的國際委員會所頒定，當然，規範的內容還是源啟於Vidicon tubes 攝影機及電視播放系統。任何符合這一類型的視訊信號，都稱之為標準訊號。

在歐洲國家，最常見的有CCIR(全名為Consultative Committee for International Radio)及PAL(Phase Alternation by Line)兩種標準。屬於北美地區，RS-170(EIA)及NTSC(National Television System Committee)，則是最經常被使用的標準。其中，CCIR 及RS-170(EIA)是屬於黑白(monochrome)視訊標準。而PAL 及NTSC 乃是彩色(color)視訊系統。(註，S-Video 則發起於日本，也是目前常被用到的一種彩色系統)。

圖框式CCD除了專責圖像感光的二維矩陣式像素之外，則增加壹塊專屬的暫時儲存像素局，因而，擁有100%填充係數(fill factor，沒有行隔間的移動暫存器)，較大的電位井容量(同樣的感測器尺寸，個別像素的面積比較大)。不過，相對於交錯式CCD，圖框式攝影機也並非是無懈可擊，譬如，圖框式CCD 的電子快門速度就無法與交錯式CCD相較高下，在製程上，每個晶圓的實際大小也比較大，以致所需成本或產品的市場價位，也高出許多。

如前面所提及，許多年前所制定的交錯式掃瞄規範，乃是為了建立壹套電視播送的標準。在當時有限的訊號傳輸頻寬技術限制之下，不得不採用交錯式的畫像掃瞄及顯示，來消除並克服動態影像所可能產生的視覺暫留的幻象。

以CCIR 及PAL 標準而言，其影像的擷取速率為每秒25 張圖框(frame)。每張交錯式的圖框，實際上是由兩個水平的圖場(field)所組成。亦即奇圖場(odd field)與偶圖場(even field)。所謂交錯式的定義，乃是指這兩個圖場依序掃瞄，重覆不斷地動作，首先是奇圖場，然後才是偶圖場。換言之，每個圖場的掃瞄時間為每秒50 個，相當於每秒可構成25 張全圖框影像。

同理，RS-170 及NTSC，則是每秒60 個圖場，或等同於每秒30 張影像。

事實上，我們日常生活中所見的顯示器，例如家裡所擺置的電視機，就是以上述的顯像方式，呈現於我們的眼前，這種以每秒50 或60 次就更新畫面的顯像技術，其視覺效果，顥然比非交錯式掃瞄，更流暢且舒服許多。

反觀，就電腦視覺檢測的應用來看，上面的陳述，其結果就截然不同了。一般情況下，待測物件大都以高速移動的方式行進，假使是運用交錯式攝影機來捕捉影像，則該移動的物件及影像，將依序被兩個相鄰的圖場所擷取、凍結，而造成模糊不清，看似同一張照片作兩次曝光，且垂直方向的邊緣會形成嚴重扭曲或階梯狀。所以，對大多數的視覺應用，在既講求全圖框解析度及高速圖像擷取的雙重要求下，改採用漸進式(progressive scan)攝影機，才是正確的解決之道。

為了避開高速取像所衍生的負面效果，交錯式攝影機可經由外部制控、設定的方式，來讀取並輸送出單一圖像，這種工作模式，垂直方向的解析度僅剩一半，但可以加倍圖像的擷取速率(對CCIR 及PAL 來說，為50 張/每秒)。目前市場上，有許多成功的視覺系統是採用這種運作模式，也是通稱的圖場模式或非交錯式取像。圖場取像模式的額外優點，就是借助於垂直binning 的功能，增加影像感測器的靈敏度至一倍(以上)。

binning 是指CCD 感測器的一種特殊的感光與輸出模式，也是目前許多〝獨樹一格〞FA專用攝影機所具備的功能之一。其原理是將相鄰兩個或多個像素，〝binning〞在一起，而當作一個較大的像素，進行感光與訊號輸出。當多個像素累積電荷而轉變成同一像素時，會同時降低圖像的解析度，增加畫面的捕捉速率、感應靈敏度及訊號/雜訊比值。

值得注意的是，如果檢測需求所面臨的是高速移動的物件及要求全畫像的解析度或量測精度，採用漸進式攝影機，現階段仍舊是無可代替的最佳選擇。

直到目前為止，對於非標準時序或將交錯式視訊格式作任何幅度修改之後的其它訊號有所規範。換句話說，祇要是與上述幾種標準不一樣，無論差異多寡，一律稱之為〝非標準視訊〞(non-standard Video)，就應用層面與相關技術的角度來比較，使用者必須具備更專業的知識與經驗，才能充份發揮此類型CCD 的最大功用。

• 非標準式攝影機

雖然〝非標準式〞只是一個廣泛的代名詞，但是，凡是具備下列任何一項或以上的屬性及機能，就可以歸類於〝非標準式〞的攝影機產品或裝置：

1. 非標準時序

與標準視訊時序規範不相符合的訊號，無法透過一般的影像卡及標準的視訊處理器，來進行畫像的擷取。最主要的是這類型攝影機的圖像傳送、輸出速率，可能高或低於正常標準的每秒取像張數(例如JAI’s M40 雙倍速型攝影機及CV-A1 百萬像素攝影機)，或者是當執行觸發取像(triggering)及可調變掃瞄取像(Variable scan)等運作模式時。

2. 非標準/百萬像素解析度

目前最新型的攝影機，逐漸開始採取更多像素的影像感測器，因此，畫像擷取後，每張影像的解析度也不斷地改善與提昇。譬如，標準型CCIR 攝影機所配備的感測元件解析度，大約有768(H)×576(V)像素，遠低於一般所謂百萬畫素級，所提供的1024(H)×768(V)或1300(H)×1030(V)的像素解析度。例如DALSA公司新近才推出的DALSTAR 系列攝影機，其感測器的像素總數，更高達6 百萬個(3072×2048)。更高解析度攝影機的好處之一，是在維持一定的空間解析度的條件之下，可取得較大視野範圍(Field of View)的影像。

3. 漸進式掃瞄與輸出

所謂〝漸進式掃瞄〞的定義，可以解釋為，進行單張影像拍攝動作時，感測器或攝影機是將整個圖框(frame)，而不祗是一半解析度的圖場(field)，作即時的感光與影像傳送(非交錯式從上而下依序送出)。這種全圖框解析度、非交錯式的視訊攝影機，非常適合既需瞬間擷取高速移動物體，且又可以得到最高解析像素之影像的應用場合，譬如機器視覺檢測。

由於監控用途及電視播送系統所屬的攝影機消費性產品，已達相當規模的市場佔有率，交錯式CCD 感測器的製程也進入量產及合理價位階段。漸進式攝影機的價位雖然，仍舊高於一般性的交錯式機種，但卻是當前更多視覺系統的必備輸入、取像設備之一。

當物體或待測工件的移動速度更快時，利用漸進式攝影機所拍攝之影像畫面，也會產生模糊(blur)不清的現像。原因是一般在畫面傳送之前，影像必須先在感測器內部經過一定時間的電荷累積(或稱之為曝光時間)，而在這段時間內，拍攝之高速移動的對象目標物，已經發生相對的位移。克服或降低blurring 所衍生的負面效果，最好的因應對策，就是調高攝影機的電子快門速度，縮短曝光時間。市面上，大多數的視覺專用CCD，例如JAI 的CV-系列，都可提供1/60~1/800000 秒的快門選擇設定功能。

快門速度增加，同時減少CCD 的曝光時間，瞬間〝凍結〞行進中的物體，捕捉的影像就不再會有模糊不清的情況發生。現有的視覺檢測系統多數採用這種取像方式，不過縮短CCD曝光時間，也就表示更少的入射光會直接投入影像感測器上面，導致攝影機的靈敏度也相對下降。因而，當攝影機啟動較高的快門速度時，必須使用常見的輔助光源來補足視覺系統或軟體檢測所要求的影像速度。有時候，調整光圈大小，或選擇低F-值的鏡頭，也是另一種可能的解決方案。

4. 影像累加、積分

一般談到與攝影機有關的影像積分(integration)功能時，是指在一段的時間以內，感測器上的像素持續進行光的感應與電荷累加。這種工作模式，正好與快門運作方式相反，常見於低照度的應用場合，用來增加CCD 的反應靈敏度。很顯然地，使用這種拍攝模式時，當CCD正在進行積分、累加電荷時，被測物必須完全靜止不動。

至於，長時間曝光(Long Time Integration，亦簡稱LTI)式攝影機，則表示感測器的有效曝光時間，超過壹個圖場的掃瞄時間，目的是儘可能地累積更多的進光量。曝光時間的長短，則受限於個別感測器或攝影機於這種模式之下，產生暗電流及雜訊(thermal no ise)值的多寡而定，有些特殊的攝影機利用各種不同的冷卻裝置，降低雜訊產生的可能性及幅度大小，以便加長有效的曝光時間。絕大多數的視覺專用攝影機，都具備這種標準的取像方式(LTI)。

• 非同步取像

大部份的視覺檢測應用案例，都開始於當待測物進入攝影機及鏡頭所欲設的視野範圍(Field of View)時，即時取得正確的影像之後，才陸續進行一連串的檢測或判讀作業，因此，如何取像或採取何種方式擷取畫像，可以說是最具關鍵性的功能之一。非同步取像(Asynchronous capture)模式是指攝影機能在最即時的情況下，精確地捕捉住待測物體影像。基本的觀念是當移動物體到達欲定的視野範圍中心位置時，攝影機可藉由外面提供的觸發訊號，重新啟動並做瞬間拍攝，及時抓取待測物的影像。

非同步取像的技巧與設定方法，常隨著不同廠牌攝影機及不同機種而有所變化，是比較覆雜且難懂的一種拍攝技術。底下，我們大致介紹其中幾項重要的控制方式與相關制御訊號，供做參考。

• 影像卡支援觸發功能

根據CCIR 標準的訊號時序，每秒可連續抓取25 張影像，亦即相鄰影像之間，維持固定40ms 的延遲時間。當外部觸發訊號啟動影像卡擷取攝影機輸出的視訊時，它僅能捕捉或儲存下一張影像，且存在無法預知的可能延遲時間(最長為40ms)，而導致不能同步於移動物件到達攝影機視野範圍內的位置或時間，產生誤判或無法動作的失誤。

總言之，若實際應用裡，待測物體的移動速度與距離，在40ms 以內，有顯著的變化，其結果必然會造成物體的確實座標或所在位置，在整張擷取後影像視窗中的不可預估與確定性。視覺專用的攝影機可經由外部送至的觸發信號，進行瞬間的啟動及即時拍攝、輸出影像。(通常使用光電感知器或磁性開關來當作偵測物件到達的位置與同步產生觸發信號)。最常被使用的兩種攝影機非同步啟動模式，分別為line Synchronous 及pixel Synchronous。在line Synchronous 的執行模式下，攝影機接收到由外部送至觸發信號時，就會在下一個水平同步脈波到達時，自動重新啟動，立即進行全畫面曝光與傳送。雖然, 這種模式並非瞬時間動作，但之間所可能產生的延遲，可以算是相當短暫，已經符合許多應用需求。嚴格說來，Pixel Synchronous 的啟動拍攝方式(下一個像素脈波到達時，就重新啟動)，真正是所謂瞬時取像，也是最精準地一種非同步影像擷取模式。

• 同步控制及訊號界面

正常情況下，由影像卡直接插斷標準攝影機輸入訊號，大約要花上幾張圖框影像掃瞄的時間，才能完全做好視訊時序的同步與擷取。但是，如果所連接的攝影機是可被外部控制並重新啟動拍攝，就並不存在任何的等待時序及脈波延遲(pulse delay)，祗要影像卡端可以接受由攝影機傳送過來的水平/垂直同步訊號，就能完整且真實地擷取到輸入的影像訊號。一般標準或低價位的影像卡並不具備這種外部同步驅動的影像擷取功能，因此，必須改選用配備Variable scan 能力的影像卡，例如Matrox’s MeteorⅡ/MC 或Coreco’s Viper-Quad 卡。一般Variable scan 型影像卡，必備的控制訊號有下列幾項：

*HD－水平驅動同步訊號

*VD－垂直驅動同步訊號(或稱WEN-write enable pulse timing)

*Pixel Clock(選擇性功能)－驅動CCD 移動暫存器所需的像素時基

一旦攝影機接收外部觸發信號，啟動非同步取像狀態時，所有的同步信號，包括HD 及VD(或者是WEN)也同一時間重新啟動(Pixel clock 信號不再此限)。緊接著，Variable scan 型的影像卡就進入〝備戰〞狀態，等待由攝影機端傳送出的訊號，驅動影像卡進行同步畫像擷取、儲存或顯示。Pixel clock 的作用是被用來推動影像卡內部的類比/數位轉換器(ADC)，而HD及VD(或WEN)訊號，則用來控制每張圖像的開始與個別水平掃瞄線的起始同步。在不同的應用中及使不同款式的攝影機，所採用的非同步取像方式與制御界面，可能會有不一樣的架構或運作模式，但這裡所介紹的兩種方法，也是最簡單且被廣泛使用的最佳方案。

• 類比式或數位式輸出

傳統上，視訊攝影機的技術與演進，一直都是停留在由Vidicon tube 式感測裝置，以類比式訊號輸出影像。其最大好處是，類比式的影像訊號，可以直接連結到顯示器，錄放影機或類比型影像卡，供立即瀏覽影像或處理。

CCD 感測器也是屬於一種類比式的攝影裝置，早期的CCD 攝影機產品，著眼於〝向下相容〞的考量，也是被設計成僅提供類比影像訊號輸出界面。直到近幾年來許多製造商也逐漸同步推出類比式或數位式的攝影機，兩者的主要差別，端視個別攝影機的內部設計，是否有擺置或配備類比/數位轉換器(ADC)及相關電路。

常見的類比型攝影機，訊號輸出大致包括複合式的類比視訊，同步信號及相關的時序。此類型的影像訊號的缺點之一，乃是受限於傳送的頻寬(bandwidth)，且負責輸送的同軸電纜線，容易衍生雜訊或受外界的干擾。而且，發生在攝影機與影像卡所屬的類比轉數位電路(ADC)之間的任何些微時序差異，都足以影響畫像擷取後，圖像的真實度與高度的失真率。

*LVDS Vs. RS-422 差壓式

數位式攝影機所採用的感測器技術或元件，等同於類比式款式，唯一的不同之處，是數位攝影機內部嵌入類比/數位轉換器(ADC)，直接做好數位化作業後，再以各種格式或不同規範，傳送出數位影像訊號。相形之下，數位式攝影機所表現的特色與優勢，正好完全避免掉上述類比型款式的各項弱點，提供更佳的畫像品質與忠實感。目前數位式攝影機的發展技術，漸漸地走向統一標準與共通界面，也就是所謂的CameraLinkTM 標準規範。對多數使用者及視覺系統整合商來說，將會是一大福音。

*類比訊號輸出

一般類比型影像訊號，包括像素及其它同步信號，只採用單一蕊數的同軸線為傳輸的媒介，好處是簡單且成本便宜。碰到屬於Variable Scan 的訊號或應用時，必須增加訊號線的傳輸蕊數，例如HD 及VD(or WEN)等同步線，縱然如此，其所增加的費用或連結線的製作時間，也不至於太複雜。我們雖然也在產品市場上看到一些百萬像素、低畫像擷取或標準解析度、高取像速率的類比式攝影機機種，終究受限於訊號頻寬的先天不良因素，類比型CCD 的垂直(速度)與水平(解析度)方向往後發展，是有一定的局限性的。而且，類比式視訊的影像動態範圍，也僅限於8-位元(256 灰階度)的品質，選用相同等級的影像卡，應該就足夠了。

• 結論

視覺檢測系統及影像處理必備之專用攝影機，其重要性，就如同人類的眼睛一般〝看不到〞〝抓不準〞，就妄論如何進一步檢視或判讀所需的資訊。面對玲瑯滿目的各式各樣廠牌，款式或成堆的產品型錄，使用者必須做出正確的判斷，挑選合適功能的機種，才能解決真正的個案應用需求，價格絕對不是唯一的參考依據。