機(jī)器視覺技術(shù)：什么是線陣工業(yè)相機(jī)

線陣相機(jī)

線陣CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖像處理。在機(jī)器視覺領(lǐng)域中，線陣工業(yè)相機(jī)是一類特殊的視覺傳感器。與面陣工業(yè)相機(jī)相比，它的傳感器只有一行感光元素，因此使高掃描頻率和高分辨率成為可能。

線陣工業(yè)相機(jī)的典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運(yùn)動(dòng) ， 利用一臺(tái)或多臺(tái)工業(yè)相機(jī)對其逐行連續(xù)掃描 ， 以達(dá)到對其整個(gè)表面均勻檢測?？梢詫ζ鋱D像一行一行進(jìn)行處理 ， 或者對由多行組成的面陣圖像進(jìn)行處理。另外線陣工業(yè)相機(jī)非常適合測量場合，這要?dú)w功于傳感器的高分辨率 ， 它可以準(zhǔn)確測量到微米。

線陣工業(yè)相機(jī)，機(jī)顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極長，幾K的長度，而寬度卻只有幾個(gè)像素的而已。

一般上只在兩種情況下使用這種相機(jī)：

一、被測視野為細(xì)長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

二、需要極大的視野或極高的精度。

若需要極大的視野或極高的精度的情況下，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”形圖像，合并成一張巨大的圖。因此，用線陣型工業(yè)相機(jī)，必須用可以支持線陣型工業(yè)相機(jī)的采集卡。

線陣型工業(yè)相機(jī)價(jià)格貴，而且在大的視野或高的精度檢測情況下，其檢測速度也慢－－一般工業(yè)相機(jī)的圖像是 400K～1M，而合并后的圖像有幾個(gè)M這么大，速度自然就慢了。

面陣相機(jī)

工業(yè)相機(jī)像素是指這個(gè)工業(yè)相機(jī)總共有多少個(gè)感光晶片，通常用萬個(gè)為單位表示，以矩陣排列，例如3百萬像素、2百萬像素、百萬像素、40萬像素。百萬像素工業(yè)相機(jī)的像素矩陣為W*H=1000*1000。 工業(yè)相機(jī)分辨率，指一個(gè)像素表示實(shí)際物體的大小，um*um表示。數(shù)值越小，分辨率越高。

FOV是指工業(yè)相機(jī)實(shí)際拍攝的面積，以毫米×毫米表示。FOV是由像素多少和分辨率決定的。相同的相機(jī)，分辨率越大，它的FOV就越小。例如1K*1K的相機(jī)，分辨率為20um，則他的FOV=1K*20 ×1k*20=20mm ×20mm，如果用30um的分辨率，F(xiàn)OV=1K*30×1k*30=30mm×30mm。

在圖像中，表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)不是由像素多少?zèng)Q定的，而是由分辨率決定的。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。如果采用20um分辨率，對于1mm*0.5mm的零件，它總共占用像素1/0.02 ×0.5/0.02＝50×25個(gè)像素，如果采用30um的分辨率，表示同一個(gè)元件，則有1/0.03×0.5/0.03=33×17個(gè)像素，顯然20um的分辨率表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)方面好過30um的分辨率。

既然像素的多少不決定圖像的分辨率（清晰度），那么大像素工業(yè)相機(jī)有何好處呢？

答案只有一個(gè)：減少拍攝次數(shù)，提高測試速度。

1個(gè)是1百萬像素，另1個(gè)是3百萬像素，清晰度相同（分辨率均為20um），第1個(gè)相機(jī)的FOV是20mm×20mm＝400平方mm，第二個(gè)相機(jī)的FOV是1200平方mm，拍攝同一個(gè)PCB，假設(shè)第1個(gè)相機(jī)要拍攝30個(gè)圖像，第2個(gè)相機(jī)則只需拍攝10個(gè)圖像就可以了。

對于面陣CCD來說，應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。面陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制，而線陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)角較面陣CCD工業(yè)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)的測量。

以線陣CCD在線測量線徑為例，就在不少論文中有所介紹，但在涉及到圖像處理時(shí)都是基于理想的條件下，而從實(shí)際工程應(yīng)用的角度來講，線陣CCD圖像處理算法還是相當(dāng)復(fù)雜的。

由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣CCD的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測量對視場的需求。線陣CCD 的優(yōu)點(diǎn)是分辨力高，價(jià)格低廉，如TCD1501C型線陣CCD，光敏像元數(shù)目為5 000，像元尺寸為7 μm×7 μm×7 μm（相鄰像元中心距）該線陣CCD一維成像長度35 mm，可滿足大多數(shù)測量視場的要求，但要用線陣CCD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)在被測件上的對應(yīng)位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣CCD每一掃描行的坐標(biāo)。

一般看來，這兩方面的要求導(dǎo)致用線陣CCD獲取圖像有以下不足：圖像獲取時(shí)間長，測量效率低；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，最終影響測量精度。

面陣相機(jī)和鏡頭選型

已知：被檢測物體大小為A*B，要求能夠分辨小于C，工作距為D 解答：

1、計(jì)算短邊對應(yīng)的像素?cái)?shù) E = B/C，相機(jī)長邊和短邊的像素?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：確定每次檢測的范圍為80mm*60mm，200萬像素 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 《 長邊視野范圍 / （長邊像素值 * 產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)速度）2、曝光時(shí)間 《 80 mm / 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。

線陣相機(jī)的選型

1、線陣相機(jī)的選擇取決于傳感器尺寸和線速度

2、確定傳感器尺寸。 （瑕疵或目標(biāo)物最少有3 或 4 個(gè)像素）

3、例如： FOV = 12”， 最小檢測尺寸= 0.005”（FOV/檢測尺寸） x （最少像素個(gè)數(shù)）

12/.005 x 3 = 7200 pixels （8K 相機(jī) 或 2個(gè)4K相機(jī)）

4、為了確定相機(jī)的線速率，需要圖像像素尺寸和產(chǎn)品速度

5、例如： FOV = 12”， 速度 20”/秒， 8k 相機(jī)圖像像素尺寸= FOV/ 傳感器尺寸

12/8192 = 0.001465”，需要的最低線速度： 20/0.001465 = 13，654

6、可以使用Piranha2 8k 18khz 相機(jī) （或 2 Spyder3 4k 18khz 相機(jī)）