線陣相機知識匯總

線陣相機顧名思義就是取像是成線性的。它的傳感器是成線型的。

舉個例子：比如面陣相機的分辨率是640*480就是說這個相機橫向有640個像元，縱向有480個像元。 而線陣相機分辨率只體現在橫向，比如2048像素的線陣相機就是說橫向有2048個像元，縱向大多數為1。（RGB相機和TDI相機除外）

關于線陣相機的傳感器

70年代大多數使用的是MOS，而從70年代末CCD開始迅速發展，一直到現在也是主流，CMOS大概是在80年代中期開始出現的，但是隨著技術的發展CCD的取像速度要低于CMOS，而且直到2010年以前CMOS的傳感器價格要高于CCD，從2010年以后幾家主要的相機制造商都已經大力開發CMOS的相機了，并且也得到了不少的實際應用。

鄙人認為，以后的線陣相機主流將是CMOS的傳感器。（這兩種傳感器的優缺點大家可以到網上找，主要是取像速度和敏感度的差異）

線陣相機的幾個重要參數:

resolution: 像素數， 傳感器上有多少個像元。

MAX DATA RATE（應該叫相機時鐘吧）：意思是相機每秒可以采取最大的數據量

Linerate 行頻：意思是每秒鐘相機最大可以采取多少行影像

比如像素為8192*1， data rate為160Mhz, 那么此相機的行頻就是160M/8192= 19000line/sec

每秒鐘最大可以取像19000行，橫向為8192pixel,縱向為19000pixel, 1秒鐘取得的這幅圖像大小大概為160M

還有就是像元的大小和鏡頭的尺寸。一般ccd的像元大小最小為5um，再小好像做不出來，而且感光度也差，cmos的像元可以比ccd小近一倍。

相機的選擇十分重要，直接關系到整體設備的成本，像素多就要采用大的鏡頭，數據量大就要采用傳輸率大的數據線，還需要圖像處理卡，數據量大對運算要求也高，對計算機的要求也高。

還是以目前的主流CCD相機為例子吧，由于相機的取像速度有限，一般每個tap最多能取得60M的數據，所以目前告訴的相機都采用多tap的處理方式，一般每個tap為40M，拿160M的相機為例就是有4個tap ,每個tap的取像為40M，40M*4=160Mhz, 當然也有single-tap(1), dual-tap(2), triple-tap(3),octal-tap（8） 之分，目前ccd的取像速度都低于400M， 而cmos目前最高可以到1.6Ghz(以后可能會更高）

相機的輸出方式也有多種，8bit,10bit,12bit, 我主要了解的就是8bit 黑白256進制影像。

有single輸出，取像時1，2，3，~8192，有雙輸出，1，3，5，7/ 2,4,6,8, 也有1，3，5~4095/ 4097,4099~8191

這里的輸出方式可以大概了解下（一般使用默認值對取像不會造成影響）

線陣相機主要接口還是以GiGe和cameralink為主流，高速的相機需要用HSlink.

相機主要的幾個設定有exposre,gain, 還有內觸發/外觸發模式，不常用的當然也有很多如平均影像灰度，offset設定等等。

exposure ， 這個設定和相機的行頻有直接關聯，此設定必須低于可以采取的最大行頻。

比如剛才的19000行的相機，如果想采取19000行的話，設定為1sec/19000=53us 這里還有一些延遲在里面，設定在47us左右才可以采集最大的行頻。（表達不清楚，煩）

此數值越低，獲取的影像越暗，反之越亮。

gain/offset， 調整取得影像的灰度，在照明亮度不夠時可以使用，但是使用后會導致影像的鮮明度下降，對分析影像時會造成一些影像，我不建議使用，即使使用也不要超過默認值的20%

還有一些其他的設定可以參照相機的說明書。

線陣相機的應用領域，主要為連續的生產線（web),比如鋼鐵冶金，有色金屬，電子素材，紡織，造紙，LCD等等，也可以說面陣相機可以應用的領域線陣相機也都可以完成，但是就是成本問題了。

我舉一個實例說明吧， 這里先舉一個單目相機實例。

電子銅帶的表面缺陷檢測設備

電子銅帶寬度450mm， 生產線速度120米每分，需要檢測最小缺陷為0.2mm

那么在選型的時候就可以考慮 4096像素的線陣相機，這樣使用普通F口的鏡頭，橫向分辨率大概是0.11mm，可以檢測出最小0.2mm的缺陷了，那么縱向怎么選擇呢？120米每分=2米每秒=2000mm每秒

如果讓橫向縱向分辨率都一致的話 應該是2000mm/ 0.11=18180line 相機需要每秒采取18180行才可以完成對產品的全幅取像。這樣 我們可以選擇 4096像素，行頻為19000的相機了。這種參數的相機可以對產品全幅取像。

剛才群友 上海-Alex-VC問 會不會出現一秒鐘掃的全是同一行的現象出現。

使用外觸發就不會。

外觸發意思是，外部給相機一個pulse,相機就掃描一行。生產線速度快，掃描頻率就高，反之則低。

外觸發主要有編碼器來實現（有點扯遠了，到編碼器了）， 編碼器主要有2種，一種為固定pulse(比如1mm就是1pulse,不變），一種為轉一圈為固定pulse, 編碼器的輸出信號也有多種，例如linediver等， 相機獲取的信號種類也有多種，如ttl, lvds,differetion,等。

還拿電子銅帶舉例吧，這里我們使用固定的pulse編碼器，每1mm發生1pulse，那么就是說相機每1mm掃描一次取一次影像，這樣的話橫向分辨率是0.11mm, 縱向是1mm了，整體影像變形就不好了。有2種方案解決，1是選擇編碼器的時候盡量選擇和行頻一樣的編碼器，2是通過相機的設定來改變行頻。

各種相機都含有convert模式，意思是對收到的pulse進行轉換，轉換成需要的數值，如果將橫向和縱向都變成0.11mm的話，就增加9倍就可以了，相機每收到1pulse自動連續掃描9次，那么每一行的分辨率就是1mm/9=0.11mm，這樣橫向和縱向的分辨率就一致了。

比如剛才的1mm發生1pulse, 相機得到1pulse掃描9行的情況：

生產線為1米沒秒的時候，相機掃描行數為1000mm/1*9=9000行每秒 ， 生產線沒進行1米，編碼器發生1000pulse, 相機取像9000行，生產線為2米每秒的時候，相機掃描行數為2000mm/1*9=18000行每秒，生產線每進行2米，編碼器法師2000pulse, 相機取像18000行。只要外觸發設置好是不會出現連續在同一行掃描的情況。

這里又關系到了彩色相機，彩色相機是3線的，三線在同一行掃描，然后組合得到這一行的彩色影像。

還有TDI相機，有8行，16行，32行最高好像512行，就是在同一行取像，獲得最佳影像，這種相機貴，對照明要求低，但是需要很高的datarate。

關于線線相機、鏡頭、光源的選型，歡迎來電探討線掃描系統的搭建與選型

隨著機器視覺的大規模普及與工業流水線速度、精度的提高，線掃描系統越來越被視覺工程師和最終用戶所認可。

首先，我對線掃描系統做一個大致的介紹。線掃描系統用于被測物體和相機之間有相對運動的場合，通過線掃描相機高速采集，每次采集完一條線后正好運動到下一個單位長度，繼續下一條線的采集，這樣一段時間下來就拼成了一張二維的圖片，也就類似于面陣相機采集到的圖片，不同之處是高度可以無限長。接下來通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片，進行實時處理或放入緩存稍后進行處理。

視覺部分，包括線掃描相機，鏡頭，光源，圖象采集卡和視覺軟件；

運動控制部分，包括馬達, 馬達驅動器, 運動控制卡或PLC，為了保證采集的圖象與輸送帶同步，有時還會需要編碼器。

由于線掃描信息量大，所以需要一臺高性能的工控機，配置大容量的內存和硬盤，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。

一般來說，一個面陣視覺系統的配置選型是按照這樣的順序進行的：

相機＋采集卡－>鏡頭－>光源

線陣項目也類似，根據系統的檢測精度和速度要求，確定線陣CCD相機分辨率和行掃描速度，同時確定對應的采集卡，只是需要選線陣相機鏡頭接口(mount)時同時考慮鏡頭的選型，最后確定光源的選型。

線陣攝像機(線陣工業相機）的選型

計算分辯率:幅寬除以最小檢測精度得出每行需要的像素

選定相機:幅寬除以像素數得出實際檢測精度

每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數

根據以上數值選定相機

如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運動速度22000mm/s

相機：1600/1＝1600像素

最少2000像素，選定為2k相機

1600/2048＝0.8實際精度

22000mm/0.8mm＝27.5KHz

應選定相機為2048像素28kHz相機

線陣鏡頭的選型

為什么在選相機時要考慮鏡頭的選型呢？常見的線陣相機分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K幾種，象素大小有５um,7um,10um,14um幾種，這樣芯片的大小從10.240mm(1Kx10um)到86.016mm(12Kx7um)不等。很顯然，Ｃ接口遠遠不能滿足要求，因為Ｃ接口最大只能接22 mm的芯片，也就是1.3inch。而很多相機的接口為Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對應不同的后背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。

光學放大倍率(β,Magnification)

確定了相機分辨率和像素大小，就可以計算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以視野范圍(FOV)就等于光學放大倍率。β=CCD/FOV

接口(Mount)：

主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種，確定了之后，就可知道對應接口的長度。

后背焦(Flange Distance)

后背焦指相機接口平面到芯片的距離，是一個非常重要的參數，由相機廠家根據自己的光路設計確定。不同廠家的相機，哪怕是接口一樣，也可能有不同的后背焦。

有了光學放大倍率、接口、后背焦，就能計算出工作距離和節圈長度。選好這些之后，還有一個重要的環節，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺工程師不了解MTF,而對高端鏡頭來說就必須用MTF來衡量光學品質。MTF涵蓋了對比度、分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的信息，并且非常詳細地表達了鏡頭中心和邊緣各處的光學質量。不僅只是工作距離、視野范圍滿足要求，邊緣的對比度不夠好，也要重新考慮是否選擇更高分辨率的鏡頭。

線掃描線陣光源的選型

線掃描項目中，常用的光源有LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。

鹵素燈也叫光纖光源，特點是亮度特別高，但缺點也很明顯--壽命短，只有1000-2000小時左右，需要經常更換燈泡。發光源是鹵素燈泡，通過一個專門的光學透鏡和分光系統，最后通過光纖輸出，光源功率很大，可高達250瓦。鹵素燈還有一個名字叫冷光源，因為通過光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的且色溫穩定，適合用于對環境溫度比較敏感的場合，比如二次元量測儀的照明。用于線掃描的鹵素燈，常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭，進一步聚焦提高光源亮度。對于較長的線光源，還用幾組鹵素光源同時為一根光纖提供照明。

高頻熒光燈，發光原理和日光燈類似，只是燈管是工業級產品，特點是適合大面積照明，亮度較高，

成本低，但熒光燈最大的缺點是有閃爍、衰減速度快。熒光燈一定需要高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠高于相機采集圖象的頻率（對線掃描相機來說就是行掃描頻率），消除圖像的閃爍。專用的高頻電源可做到60KHz。

LED光源是目前主流的機器視覺光源。特點是壽命長，穩定性好，功耗非常小。

1，直流供電，無頻閃。

2，專業的LED光源壽命非常長。（如美國AI的壽命50000小時亮度不小于50%）

3，亮度也非常高，接近鹵素燈的亮度，并且隨著LED工藝的改善不斷提高。（目前美國AI線光源亮度高達90000LUX）

4，可以靈活地設計成不同結構的線光源，如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以及類似于碗狀的漫反射線光源。

5，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍、白，還有紅外、紫外。針對不同被測物體的表面特征和材質，選用不同顏色也就是不同波長的光源，獲得更佳的圖像。

線掃描相機、光源與被測物體之間的角度分析

以玻璃檢測為例，需要檢測的缺陷有：臟點、結石、雜質、氣泡、刮傷，裂紋，破損等，其大致可以分成兩類，一類在玻璃表面的，一類是玻璃內部的。不同的缺陷，在圖象中表現的出的灰度不一樣，有黑的，有白的，也有灰的，并且在不同的光源照射角度或者相機接受角度，缺陷的對比度會變化，如在一個角度時，某一種缺陷的對比度最好，但其他缺陷可能比較次，甚至根本看不到。這樣也就需要大量的分析、組合，才能確定最后的光源選型和相機、光源和被測物體之間的相對角度。如下圖所示，相機、光源在不同角度安裝，分別測試。

結果發現：

臟點，正面光源或背光都較容易凸現；

結石和雜質，需要正面接近法線的照明或背面穿透照明；

氣泡，形狀不固定，且要分析形成的原因以及方向，采用背面照明；

刮傷和破損，正面低角度照明容易凸現。

裂紋，需要背面側照

而且，以上缺陷并不是獨立的，而是互相影響。統計、分析如下。

綜合以上因素，最后選用背光斜射和正面照射結合，相機接近法線方向安裝。

光源、鏡頭的調試

線掃描系統，對光源和相機來說，有效的工作區域都是一個窄條。也就是保證光源照在這個最亮的窄條與相機芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個亮點。所以機械安裝、調試是比較費工夫的。同時由于幅寬比較寬，對于線光源有兩個特別的要求，就是均勻性和直線性。因為線光源不同位置的亮暗差異，會直接影響圖象的亮度高低，這一點LED比鹵素燈更好控制。出光部分的直線性，取決于LED發光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。

由于現場環境比較復雜，客戶總是希望花多一些時間去現場調試。但如我們前面講到的相機、光源、被測物體的相對角度測試、分析，許多因素會直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實驗室測試，有了方案之后，再去現場調試，這樣會最有把握，也能提高調試效率。畢竟服務也是一種成本。

線掃描系統除了機械結構之外, 其主要組成部分還包括機器視覺和運動控制。

要保證采集到的圖像不被拉伸或者壓縮，必須遵從一點，即“橫向和縱向的分辨率相等”。

首先設定以下變量：

1）線陣相機的每線像素數（單位：pixel）：Hc

2）目標物的寬幅（單位：m）：Lo

3）目標物運行速率（單位：m/s）：Vo

4）線陣相機線掃描速率（單位：Hz，即 線/s）：Vc

5）掃描一幀圖像目標物運行的時間（單位：s）：To

6）掃描一幀圖像線陣相機的掃描時間（單位：s）：Tc

那么，

橫向的分辨率為：Lo/ Hc，標定紙的值/單個相機像素（4096）

縱向分辨率為：( Vo* To ) / ( Vc* Tc )，速度/line值

很容易知道，To = Tc

根據“橫向和縱向的分辨率相等”的原則，得到公式如下：

Lo/ Hc = Vo / Vc

則相機的線掃描速率為：

Vc = Hc * Vo / Lo

審核編輯：湯梓紅