机器视觉技术与应用实战-面阵相机和线阵相机

面阵相机面阵相机概述

面阵相机是以面为单位来进行图像采集的，每次采集的都是一幅矩阵图，一般情况下，工业相机按照芯片类型可以分为CCD相机和CMOS相机。相机按照应用可以分为普通产品和高端产品，1000万像素以下为普通产品，1000万像素以上为高端产品，其应用面较广，可用于面积、形状、尺寸、位置等信息的测量和一维码，二维码，OCR等信息的读取。面阵相机工作原理

面阵相机像源阵列排列，实现的是像素矩阵拍摄。阵列中的每个感光单元对应一个像素，被拍摄的目标的一个面被成像，相机拍摄图像中，目标与相机之间可以是静止的，也可以是相对运动的，可以在短时间内曝光、一次性获取完整的目标图像，具有测量图像直观的优势，常应用于测量目标物体的形状、尺寸等信息，如图所示。面阵相机工作原理面阵相机的特点

灵活的精度选择，相机芯片分辨率可以从30万像素到4300万像素及以上等选择，可根据不同项目技术要求，芯片可以是CCD和CMOS.全局曝光，卷帘曝光等。

数据传输接口的通用和便利性，相机和处理器连接一般都采用，GigE、USB3.0、USB2.0、1394等通用接口，不像线扫相机需要专门的图像采集卡。

成本低廉，由于近年来国内面阵相机生产厂家大力发展，相机成本大幅度降低，且应用场景非常广泛。

面阵相机应用领域1.定位：机器人定位引导，CNC加工定位引导，手机帖装引导等。

2.缺陷检测：3C产品的点、线、面、字符、位置等与标准品的差异。

面阵相机应用领域3.测量：被测物体的边缘尺寸（包括直径、长度、宽度等）精确测量。

4.信息识别：一维码，二维码，OCR字符识别等。

面阵相机主要参数介绍传感器尺寸：是指传感器芯片的尺寸大小，一般有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等规格。分辨率：是指传感器像元排列的数量。帧率：单位FPS即帧/秒，指相机每秒钟采集多少幅图像。像元尺寸：指传感器芯片像元的实际物理尺寸，尺寸一般为3μm-10μm。像元深度：指像元灰度的等级，一般都是8位0-255，也有10位0-1023。触发方式：指相机采集图像的方式，一般有软件触发和硬件触发。镜头接口：指接驳镜头的规格，一般有C、CS、F口。数据传输接口：指数据传输的硬件接口，一般有GigE、USB、1394等。光谱响应：指相机对不同波长的光线的响应能，一般响应范围是350nm－1000nm。像素图片的组成单位，芯片想对应像元产生的图片信息，对应在图片上称为像素。如下图所示最后一幅图中红色框中的格子。（1）传感器尺寸

指传感器芯片的尺寸大小，传感器尺寸大小主要取决于制造工艺，一般有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等规格。（2）分辨率分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1280（宽）x960(高)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1280个像元，后面的数字表示像元的行数，即960行，也就是最常见的130W相机。线阵相机的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048)，4K(4096)等。在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。面阵相机的主要参数（3）帧率相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，即相机每秒钟采集多少幅图像。面阵相机通常用帧频表示，单位fps（FramePersecond），如30fps，表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线阵相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。（4）像元尺寸像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um,7um,6.45um,3.75um等，尺寸大小主要取决于制造工艺。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征面阵相机的主要参数（5）像元深度数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗而255代表全亮。介于0和25之间的数字代表一定的亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大），因此我们也要慎重选择。思考：分辨率与灰度等级的又如何区分？面阵相机的主要参数（6）触发方式

指相机采集图像的方式，一般有软件触发和硬件触发。（7）镜头接口

法兰距：安装法兰到入射镜头平行光的汇聚点（焦点/传感器平面）之间的距离；1in=25.4mm（一）C口：法兰距为17.526mm，安装螺纹为：直径1in，32牙/in（二）CS口：法兰距为12.526mm，安装螺纹为：直径1in，32牙/in（三）F口：法兰距为46.5mm，槽44/48mm（四）U口：法兰距为12mm,安装螺纹为M42*1.0（五）Mxx口：Mxx*0.75(如M58*0.75)（六）使用一个C/CS5mm接圈，即可将CS口转成C口面阵相机的主要参数（8）数据传输接口

指数据传输的硬件接口，目前主要是

Gige接口相机、USB接口相机、1394接口相机和CameraLink接口相机（9）动态范围相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定，一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应去，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值：动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB或Bit等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。（10）光谱响应

指相机对不同波长的光线的响应能力。因此相机可分为：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。面阵相机的主要参数（11）噪声工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。根据欧洲相机测试标准EMVA1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shotnoise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。（就是：噪声的平方=信号的均值）。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。（12）信噪比相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，图像质量越好。线阵相机线阵相机

顾名思义是呈“线”状的。线阵相机是一类特殊的视觉机器，将二维光学图像转变为一维视频信号输出，与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为发展趋势。虽然也是二维图像，但极长。几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。在第二种情况下（需要极大的视野或极高的精度），就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。面阵相机感光芯片线阵相机感光芯片线阵相机概述

线阵相机是以线为单位来进行图像采集的，每次采集的都是一条线，然后再进行合成为一幅图像。线阵相机单行的像素很高，加上行频很高，适合高精度或运动的连续拍摄。

感光单元排列是一维的，每次曝光仅是目标上的一条线被成像，形成一行图像，随着目标物体与相机之间的相对运动，相机连续曝光，最后形成一幅二维图像。幅面宽，像元尺寸较灵活，行频高，常应用于一维动态目标的测量，如需要极大的视野或极高的精度或被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。线阵相机工作原理

线阵CCD扫描测量系统主要由线阵CCD相机、运动工作台、控制电路及线光源等组成。被测零件放置于运动工作台上，随工作台一起以速度v向右方行进，零件未进入相机视场视场时，线光源所发射光线直接通过光学成像系统成为一帧灰度值较高的背景图像，当零件进入相机视场时，零件遮挡光线使得采集图像含有零件轮廓信息，将所有输出图像按采集的先后关系进行拼接，即可得到完整的高分辨率零件图像。线阵相机工作原理1、线阵相机的特点

数据传输速率高：线扫描相机在对高速运动物体进行拍摄的时候所需要实现的smear输出并不需要通过附加额外的快门，所以线扫描相机就具有更加高的数据传输速率了，对于高速检测的应用更加适合了，现在工业生产上的流水线能够更好地满足物体测量、监控和检测的需求。

高分辨率：线扫描相机可以拥有多个K单位像素，所以分辨率非常高，非常适用高精度检测测量应用，同时还适用于连续运动物体成像的应用，其测量可以精确到微米。

线扫描相机动态范围非常的大，灵敏度也非常的高，对于工业检测项目中需要大幅面视场的要求非常合适。2、线扫相机目标应用

主要应用有：印刷制品、大型玻璃、粮食色选、LCD面板检查、PCB检查、钢铁检查、烟草行业、纺织行业等。这些产品共同的特点是：幅面较宽、速度快、精度高、流水线上产品连续性高。3、如何构建线阵相机检测系统（1）线阵相机检测系统组成

硬件：处理器（如工控机）、线阵相机、线扫镜头、CameraLink卡、线扫光源、编码器信号、取图触发信号等。

软件：如视觉龙的龙睿DragonVision系统。（2）线阵相机检测系统硬件选型

工控机选型：由于线扫描信息量大，所以需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和硬盘。3、如何构建线阵相机检测系统（3）线阵相机选型

第一步：计算分辩率。被检物体宽度（与运动方向垂直）除以最小检测精度得出每行所需要的像素值。

第二步：计算实际精度。根据上面像素值选择相机，然后用被检物体宽度除以像素数得出实际检测精度。

第三步：计算每秒扫描行数，也就是线扫描速率。每秒运动速度长度除以精度得出每秒的扫描行数。

例如被检物体宽度为160mm、精度0.1mm、运动速度2200mm/s，相机分辨率：160/0.1＝1600像素应为2000像素左右，先选定为2K相机实际精度为：160mm/2048像素＝0.08mm，线扫描速率：2200mm/0.08mm＝27.5KHz。所以应选定相机为线扫描速率大约为28kHz的2K相机。3、如何构建线阵相机检测系统（4）线扫镜头选型

由于线阵相机的芯片长度比较长，精度较高，所以一般不能选用普通的C接口镜头。根据相机的镜头接口不同，需要各种转接环进行转接。（5）图像采集卡的选择

首先要判断相机能支持的模式，CameraLink的基础采集模式有Base、Medium和Full三种，也有高速的接口比如HSLINK模式，那我们在选择卡的时候就要支持这几种模式的卡，比如相机需要用Full模式，那么采集卡也需要能支持Full模式。3、如何构建线阵相机检测系统（6）线扫光源选型

线扫描项目中，常用的光源有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。

卤素灯也叫光纤光源，特点是亮度特别高，但缺点也很明显，寿命短，只有1000-2000小时左右，需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡，通过一个专门的光学透镜和分光系统，最后通过光纤输出，光源功率很大，可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的且色温稳定，适合用于对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。用于线扫描的卤素灯，常常在出光口加上玻璃聚光镜头，进一步聚焦提高光源亮度。对于较长的线光源，还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。

高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，特点是适合大面积照明，亮度较高，成本低。但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率（对线扫描相机来说就是行扫描频率），消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。

3、如何构建线阵相机检测系统LED光源是目前主流的机器视觉光源，特点是寿命长，稳定性好，功耗非常小。

直流供电，无频闪。专业的LED光源寿命非常长。（如大多数国产光源的寿命50000小时亮度不小于50%）

亮度也非常高，接近卤素灯的亮度，并且随着LED工艺的改善不断提高。（目前一般线光源亮度高达90000LUX）

可以灵活地设计成不同结构的线光源，如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源。

有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同被测物体的表面特征和材质，选用不同颜色也就是不同波长的光源，获得更佳的图像。

（7）编码器信号和触发信号

线阵相机的成像原理是相机与被拍摄的物体之间有相对匀速的运动，相机固定的情况下，对运动的机构匀速性要求很高。目前来看，能达到相机采集精度的这种机构并不是很多，这个时候就要采用编码器触发的方式进行接线，编码器的作用是在平台的运动过程中出现不匀速的情况下，使相机拍出的图像不会拉伸或者压缩。3.3.3线阵相机的分类

无论是面阵还是线阵相机，它们都与检测内容，制造工艺等息息相关，所以其分类也基本大致相同：按照芯片类型分：有CCD和CMOS两种。线阵图像传感器以CCD为主，市场上曾经也出现过一些线阵CMOS图像传感器，但是，线阵CCD仍是主流。按照图像颜色分：单色和彩色。线阵图像传感器分为单色和彩色两种，因此线阵相机也分为单色和彩色两种。按照扫描线可以分给单线、双线、三线、多线等类型。按照相机接口分：Gige、CameraLink、Hslink。市场上目前还是以Gige和Cam