一文了解工業(yè)線陣相機(jī)和面陣相機(jī)的區(qū)別

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

工業(yè)相機(jī)按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)，面陣、線陣相機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在用途不同的情況下選擇合適的傳感器的結(jié)構(gòu)工業(yè)相機(jī)，至關(guān)重要。

1、類型區(qū)分

面陣相機(jī)：實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。相機(jī)拍攝圖像中，表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)不是由像素多少?zèng)Q定的，是由分辨率決定的。分辨率是由選擇的鏡頭焦距決定的，同一種相機(jī)，選用不同焦距的鏡頭，分辨率就不同。?像素的多少不決定圖像的分辨率（清晰度），那么大像素相機(jī)有何好處呢？答案只有一個(gè)：減少拍攝次數(shù)，提高測(cè)試速度。

線陣相機(jī)：顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極長(zhǎng)。幾K的長(zhǎng)度，而寬度卻只有幾個(gè)象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機(jī)：一、被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，多用于滾筒上檢測(cè)的問(wèn)題。二、需要極大的視野或極高的精度。在第二種情況下（需要極大的視野或極高的精度），就需要用激發(fā)裝置多次激發(fā)相機(jī)，進(jìn)行多次拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖象，合并成一張巨大的圖。因此，用線陣型相機(jī)，必須用可以支持線陣型相機(jī)的采集卡。?線陣型相機(jī)價(jià)格貴，而且在大的視野或高的精度檢測(cè)情況下，其檢測(cè)速度也慢－－一般相機(jī)的圖象是?400K～1M，而合并后的圖象有幾個(gè)M這么大，速度自然就慢了。慢功出細(xì)活嘛。由于以上這兩個(gè)原因，線陣相機(jī)只用在極特殊的情況下。

2、應(yīng)用對(duì)比：

面陣相機(jī)：應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。

線陣相機(jī)：主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖象處理。典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測(cè)的物體通常勻速運(yùn)動(dòng)?,?利用一臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描?,?以達(dá)到對(duì)其整個(gè)表面均勻檢測(cè)。可以對(duì)其圖象一行一行進(jìn)行處理?,?或者對(duì)由多行組成的面陣圖象進(jìn)行處理。另外線陣相機(jī)非常適合測(cè)量場(chǎng)合，這要?dú)w功于傳感器的高分辨率，它可以準(zhǔn)確測(cè)量到微米。

3、優(yōu)點(diǎn)對(duì)比：

面陣相機(jī)：可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。

線陣相機(jī)：一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元素較面陣相機(jī)少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量。而且線陣分辨率高，價(jià)格低廉，可滿足大多數(shù)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)要求。

4、缺點(diǎn)對(duì)比：

面陣相機(jī)：像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制，因此其應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的需求。

線陣相機(jī)：要用線陣獲取二維圖像，必須配以掃描運(yùn)動(dòng)，而且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測(cè)件上的對(duì)應(yīng)位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣每一掃描行的坐標(biāo)。一般看來(lái)，這兩方面的要求導(dǎo)致用線陣獲取圖像有以下不足：圖像獲取時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量效率低；由于掃描運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本；圖像精度可能受掃描運(yùn)動(dòng)精度的影響而降低，最終影響測(cè)量精度。

另：線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的選型

首先了解一下線掃描系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)一般可用于被測(cè)物體和相機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，通過(guò)線掃描相機(jī)高速采集，每次采集完一條線后正好運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)單位長(zhǎng)度，繼續(xù)下一條線的采集，這樣一段時(shí)間下來(lái)就拼成了一張二維的圖片，也就類似于面陣相機(jī)采集到的圖片，不同之處是高度可以無(wú)限長(zhǎng)。接下來(lái)通過(guò)軟件把這幅“無(wú)限長(zhǎng)”的圖片截成一定高度的圖片，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或放入緩存稍后進(jìn)行處理。

視覺(jué)部分，包括線掃描相機(jī)，鏡頭，光源，圖象采集卡和視覺(jué)軟件；

運(yùn)動(dòng)控制部分，包括馬達(dá), 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器, 運(yùn)動(dòng)控制卡或PLC，為了保證采集的圖象與輸送帶同步，有時(shí)還會(huì)需要編碼器。

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

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)面陣視覺(jué)系統(tǒng)的配置選型是按照這樣的順序進(jìn)行的。：

相機(jī)＋采集卡－>鏡頭－>光源

線陣項(xiàng)目也類似，根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和速度要求，確定線陣CCD相機(jī)分辨率和行掃描速度，同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的采集卡，只是需要選線陣相機(jī)鏡頭接口(mount)時(shí)同時(shí)考慮鏡頭的選型，最后確定光源的選型。

線陣攝像機(jī)(線陣工業(yè)相機(jī)）的選型

計(jì)算分辯率:幅寬除以最小檢測(cè)精度得出每行需要的像素

選定相機(jī):幅寬除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度

每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒掃描行數(shù)

根據(jù)以上數(shù)值選定相機(jī)

如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速度22000mm/s

相機(jī)：1600/1＝1600像素

最少2000像素，選定為2k相機(jī)

1600/2048＝0.8實(shí)際精度

22000mm/0.8mm＝27.5KHz

應(yīng)選定相機(jī)為2048像素28kHz相機(jī)

線陣鏡頭的選型

為什么在選相機(jī)時(shí)要考慮鏡頭的選型呢？常見(jiàn)的線陣相機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因?yàn)椋媒涌谧畲笾荒芙印?2 mm　的芯片，也就是1.3inch。而很多相機(jī)的接口為Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對(duì)應(yīng)不同的后背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。

1、光學(xué)放大倍率(β,Magnification)

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

2、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(duì)應(yīng)接口的長(zhǎng)度。

3、后背焦(Flange Distance)

后背焦指相機(jī)接口平面到芯片的距離，是一個(gè)非常重要的參數(shù)，由相機(jī)廠家根據(jù)自己的光路設(shè)計(jì)確定。不同廠家的相機(jī)，哪怕是接口一樣，也可能有不同的后背焦。

有了光學(xué)放大倍率、接口、后背焦，就能計(jì)算出工作距離和節(jié)圈長(zhǎng)度。選好這些之后，還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺(jué)工程師不了解MTF,而對(duì)高端鏡頭來(lái)說(shuō)就必須用MTF來(lái)衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF涵蓋了對(duì)比度、分辨率、空間頻率、色差等相當(dāng)豐富的信息，并且非常詳細(xì)地表達(dá)了鏡頭中心和邊緣各處的光學(xué)質(zhì)量。不僅只是工作距離、視野范圍滿足要求，邊緣的對(duì)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(xiàng)目中，常用的光源有LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。

鹵素?zé)粢步泄饫w光源，特點(diǎn)是亮度特別高，但缺點(diǎn)也很明顯--壽命短，只有1000-2000小時(shí)左右，需要經(jīng)常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞荩ㄟ^(guò)一個(gè)專門的光學(xué)透鏡和分光系統(tǒng)，最后通過(guò)光纖輸出，光源功率很大，可高達(dá)250瓦。鹵素?zé)暨€有一個(gè)名字叫冷光源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的且色溫穩(wěn)定，適合用于對(duì)環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合，比如二次元量測(cè)儀的照明。用于線掃描的鹵素?zé)?，常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭，進(jìn)一步聚焦提高光源亮度。對(duì)于較長(zhǎng)的線光源，還用幾組鹵素光源同時(shí)為一根光纖提供照明。

高頻熒光燈，發(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，特點(diǎn)是適合大面積照明，亮度較高，成本低，但熒光燈最大的缺點(diǎn)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(yuǎn)高于相機(jī)采集圖象的頻率（對(duì)線掃描相機(jī)來(lái)說(shuō)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(jī)器視覺(jué)光源。特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，功耗非常小。

1，直流供電，無(wú)頻閃。

2，專業(yè)的LED光源壽命非常長(zhǎng)。（如美國(guó)AI的壽命50000小時(shí)亮度不小于50%）

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

4，可以靈活地設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)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(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不同被測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色也就是不同波長(zhǎng)的光源，獲得更佳的圖像。

線掃描相機(jī)、光源與被測(cè)物體之間的角度分析

以玻璃檢測(cè)為例，需要檢測(cè)的缺陷有：臟點(diǎn)、結(jié)石、雜質(zhì)、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(nèi)部的。不同的缺陷，在圖象中表現(xiàn)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(jī)接受角度，缺陷的對(duì)比度會(huì)變化，如在一個(gè)角度時(shí)，某一種缺陷的對(duì)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(jī)、光源和被測(cè)物體之間的相對(duì)角度。如下圖所示，相機(jī)、光源在不同角度安裝，分別測(cè)試。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

臟點(diǎn)，正面光源或背光都較容易凸現(xiàn)；

結(jié)石和雜質(zhì)，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(xiàn)。

裂紋，需要背面?zhèn)日?

而且，以上缺陷并不是獨(dú)立的，而是互相影響。統(tǒng)計(jì)、分析如下。

綜合以上因素，最后選用背光斜射和正面照射結(jié)合，相機(jī)接近法線方向安裝。

光源、鏡頭的調(diào)試

線掃描系統(tǒng)，對(duì)光源和相機(jī)來(lái)說(shuō)，有效的工作區(qū)域都是一個(gè)窄條。也就是保證光源照在這個(gè)最亮的窄條與相機(jī)芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個(gè)亮點(diǎn)。所以機(jī)械安裝、調(diào)試是比較費(fèi)工夫的。同時(shí)由于幅寬比較寬，對(duì)于線光源有兩個(gè)特別的要求，就是均勻性和直線性。因?yàn)榫€光源不同位置的亮暗差異，會(huì)直接影響圖象的亮度高低，這一點(diǎn)LED比鹵素?zé)舾每刂?。出光部分的直線性，取決于LED發(fā)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(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，客戶總是希望花多一些時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。但如我們前面講到的相機(jī)、光源、被測(cè)物體的相對(duì)角度測(cè)試、分析，許多因素會(huì)直接影響到檢測(cè)效果。所以我們建議先做實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，有了方案之后，再去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，這樣會(huì)最有把握，也能提高調(diào)試效率。畢竟服務(wù)也是一種成本。 線掃描系統(tǒng)除了機(jī)械結(jié)構(gòu)之外, 其主要組成部分還包括機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)控制。

面陣相機(jī)和鏡頭選型

已知：被檢測(cè)物體大小為A*B,要求能夠分辨小于C，工作距為D 解答：

1. 計(jì)算短邊對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù) E = B/C，相機(jī)長(zhǎng)邊和短邊的像素?cái)?shù)都要大于E；

2. 像元尺寸 = 物體短邊尺寸B / 所選相機(jī)的短邊像素?cái)?shù)；

3. 放大倍率 = 所選相機(jī)芯片短邊尺寸 / 相機(jī)短邊的視野范圍；

4. 可分辨的物體精度 = 像元尺寸 / 放大倍率 （判斷是否小于C）；

5. 物鏡的焦距 = 工作距離 / (1+1 / 放大倍率) 單位：mm；

6. 像面的分辨率要大于 1 / (2*0.1*放大倍率) 單位：lpmm ；

以上只針對(duì)鏡頭的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇，其他如畸變、景深環(huán)境等，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行選擇。

*針對(duì)速度和曝光時(shí)間的影響，物體是否有拖影。

已知：確定每次檢測(cè)的范圍為80mm*60mm，200萬(wàn)像素 CCD 相機(jī)(1600*1200),相機(jī)或物體的運(yùn)動(dòng)速度為12m/min   = 200mm/s 。

曝光時(shí)間計(jì)算：

1. 曝光時(shí)間 < 長(zhǎng)邊視野范圍 / (長(zhǎng)邊像素值 * 產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)速度)

2. 曝光時(shí)間 < 80 mm / (1600?250 mm/s)； 3. 曝光時(shí)間 < 0.00025s ；

總結(jié)：故曝光時(shí)間要小于 0.00025s  ，圖像才不會(huì)產(chǎn)生拖影。

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