機(jī)器視覺技術(shù)與應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)-面陣相機(jī)和線陣相機(jī)

面陣相機(jī)面陣相機(jī)概述

面陣相機(jī)是以面為單位來進(jìn)行圖像采集的，每次采集的都是一幅矩陣圖，一般情況下，工業(yè)相機(jī)按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)。相機(jī)按照應(yīng)用可以分為普通產(chǎn)品和高端產(chǎn)品，1000萬像素以下為普通產(chǎn)品，1000萬像素以上為高端產(chǎn)品，其應(yīng)用面較廣，可用于面積、形狀、尺寸、位置等信息的測(cè)量和一維碼，二維碼，OCR等信息的讀取。面陣相機(jī)工作原理

面陣相機(jī)像源陣列排列，實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。陣列中的每個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，被拍攝的目標(biāo)的一個(gè)面被成像，相機(jī)拍攝圖像中，目標(biāo)與相機(jī)之間可以是靜止的，也可以是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，可以在短時(shí)間內(nèi)曝光、一次性獲取完整的目標(biāo)圖像，具有測(cè)量圖像直觀的優(yōu)勢(shì)，常應(yīng)用于測(cè)量目標(biāo)物體的形狀、尺寸等信息，如圖所示。面陣相機(jī)工作原理面陣相機(jī)的特點(diǎn)

靈活的精度選擇，相機(jī)芯片分辨率可以從30萬像素到4300萬像素及以上等選擇，可根據(jù)不同項(xiàng)目技術(shù)要求，芯片可以是CCD和CMOS.全局曝光，卷簾曝光等。

數(shù)據(jù)傳輸接口的通用和便利性，相機(jī)和處理器連接一般都采用，GigE、USB3.0、USB2.0、1394等通用接口，不像線掃相機(jī)需要專門的圖像采集卡。

成本低廉，由于近年來國(guó)內(nèi)面陣相機(jī)生產(chǎn)廠家大力發(fā)展，相機(jī)成本大幅度降低，且應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。

面陣相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域1.定位：機(jī)器人定位引導(dǎo)，CNC加工定位引導(dǎo)，手機(jī)帖裝引導(dǎo)等。

2.缺陷檢測(cè)：3C產(chǎn)品的點(diǎn)、線、面、字符、位置等與標(biāo)準(zhǔn)品的差異。

面陣相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域3.測(cè)量：被測(cè)物體的邊緣尺寸（包括直徑、長(zhǎng)度、寬度等）精確測(cè)量。

4.信息識(shí)別：一維碼，二維碼，OCR字符識(shí)別等。

面陣相機(jī)主要參數(shù)介紹傳感器尺寸：是指?jìng)鞲衅餍酒某叽绱笮?，一般?英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等規(guī)格。分辨率：是指?jìng)鞲衅飨裨帕械臄?shù)量。幀率：?jiǎn)挝籉PS即幀/秒，指相機(jī)每秒鐘采集多少幅圖像。像元尺寸：指?jìng)鞲衅餍酒裨膶?shí)際物理尺寸，尺寸一般為3μm-10μm。像元深度：指像元灰度的等級(jí)，一般都是8位0-255，也有10位0-1023。觸發(fā)方式：指相機(jī)采集圖像的方式，一般有軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)。鏡頭接口：指接駁鏡頭的規(guī)格，一般有C、CS、F口。數(shù)據(jù)傳輸接口：指數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌?，一般有GigE、USB、1394等。光譜響應(yīng)：指相機(jī)對(duì)不同波長(zhǎng)的光線的響應(yīng)能，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm。像素圖片的組成單位，芯片想對(duì)應(yīng)像元產(chǎn)生的圖片信息，對(duì)應(yīng)在圖片上稱為像素。如下圖所示最后一幅圖中紅色框中的格子。（1）傳感器尺寸

指?jìng)鞲衅餍酒某叽绱笮?，傳感器尺寸大小主要取決于制造工藝，一般有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等規(guī)格。（2）分辨率分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù)，由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：1280（寬）x960(高)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1280個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即960行，也就是最常見的130W相機(jī)。線陣相機(jī)的分辨率通常表示多少K,如1K（1024），2K(2048)，4K(4096)等。在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。面陣相機(jī)的主要參數(shù)（3）幀率相機(jī)的幀頻/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，即相機(jī)每秒鐘采集多少幅圖像。面陣相機(jī)通常用幀頻表示，單位fps（FramePersecond），如30fps，表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線陣相機(jī)通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。相機(jī)的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設(shè)計(jì)最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時(shí)鐘決定。（4）像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個(gè)像元的實(shí)際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um,9um,7um,6.45um,3.75um等，尺寸大小主要取決于制造工藝。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對(duì)光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對(duì)于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征面陣相機(jī)的主要參數(shù)（5）像元深度數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對(duì)于黑白相機(jī)這個(gè)值的方位通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對(duì)于8bit的相機(jī)0代表全暗而255代表全亮。介于0和25之間的數(shù)字代表一定的亮度指標(biāo)。10bit數(shù)據(jù)就有1024個(gè)灰階而12bit有4096個(gè)灰階。每一個(gè)應(yīng)用我們都要仔細(xì)考慮是否需要非常細(xì)膩的灰度等級(jí)。從8bit上升到10bit或者12bit的確可以增強(qiáng)測(cè)量的精度，但是也同時(shí)降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。思考：分辨率與灰度等級(jí)的又如何區(qū)分？面陣相機(jī)的主要參數(shù)（6）觸發(fā)方式

指相機(jī)采集圖像的方式，一般有軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)。（7）鏡頭接口

法蘭距：安裝法蘭到入射鏡頭平行光的匯聚點(diǎn)（焦點(diǎn)/傳感器平面）之間的距離；1in=25.4mm（一）C口：法蘭距為17.526mm，安裝螺紋為：直徑1in，32牙/in（二）CS口：法蘭距為12.526mm，安裝螺紋為：直徑1in，32牙/in（三）F口：法蘭距為46.5mm，槽44/48mm（四）U口：法蘭距為12mm,安裝螺紋為M42*1.0（五）Mxx口：Mxx*0.75(如M58*0.75)（六）使用一個(gè)C/CS5mm接圈，即可將CS口轉(zhuǎn)成C口面陣相機(jī)的主要參數(shù)（8）數(shù)據(jù)傳輸接口

指數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌冢壳爸饕?/p>

Gige接口相機(jī)、USB接口相機(jī)、1394接口相機(jī)和CameraLink接口相機(jī)（9）動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍表明相機(jī)探測(cè)光信號(hào)的范圍，動(dòng)態(tài)范圍可用兩種方法來界定，一種是光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍，指飽和時(shí)最大光強(qiáng)與等價(jià)于噪聲輸出的光強(qiáng)的比值，由芯片的特性決定。另一種是電子動(dòng)態(tài)范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。對(duì)于固定相機(jī)其動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)去，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動(dòng)態(tài)范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可用倍數(shù)、dB或Bit等方式來表示。動(dòng)態(tài)范圍大，則相機(jī)對(duì)不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。（10）光譜響應(yīng)

指相機(jī)對(duì)不同波長(zhǎng)的光線的響應(yīng)能力。因此相機(jī)可分為：可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)。面陣相機(jī)的主要參數(shù)（11）噪聲工業(yè)相機(jī)的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。根據(jù)歐洲相機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288中，定義的相機(jī)中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號(hào)帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計(jì)漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shotnoise）,這種噪聲對(duì)任何相機(jī)都是相同的，不可避免，尤其確定的計(jì)算公式。（就是：噪聲的平方=信號(hào)的均值）。第二類是相機(jī)自身固有的與信號(hào)無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號(hào)處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺(tái)相機(jī)的固有噪聲都不一樣。另外，對(duì)數(shù)字相機(jī)來說，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。（12）信噪比相機(jī)的信噪比定義為圖像中信號(hào)與噪聲的比值（有效信號(hào)平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。線陣相機(jī)線陣相機(jī)

顧名思義是呈“線”狀的。線陣相機(jī)是一類特殊的視覺機(jī)器，將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S視頻信號(hào)輸出，與面陣相機(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發(fā)展趨勢(shì)。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。面陣相機(jī)感光芯片線陣相機(jī)感光芯片線陣相機(jī)概述

線陣相機(jī)是以線為單位來進(jìn)行圖像采集的，每次采集的都是一條線，然后再進(jìn)行合成為一幅圖像。線陣相機(jī)單行的像素很高，加上行頻很高，適合高精度或運(yùn)動(dòng)的連續(xù)拍攝。

感光單元排列是一維的，每次曝光僅是目標(biāo)上的一條線被成像，形成一行圖像，隨著目標(biāo)物體與相機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相機(jī)連續(xù)曝光，最后形成一幅二維圖像。幅面寬，像元尺寸較靈活，行頻高，常應(yīng)用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量，如需要極大的視野或極高的精度或被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，多用于滾筒上檢測(cè)的問題。線陣相機(jī)工作原理

線陣CCD掃描測(cè)量系統(tǒng)主要由線陣CCD相機(jī)、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、控制電路及線光源等組成。被測(cè)零件放置于運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上，隨工作臺(tái)一起以速度v向右方行進(jìn)，零件未進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)視場(chǎng)時(shí)，線光源所發(fā)射光線直接通過光學(xué)成像系統(tǒng)成為一幀灰度值較高的背景圖像，當(dāng)零件進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)時(shí)，零件遮擋光線使得采集圖像含有零件輪廓信息，將所有輸出圖像按采集的先后關(guān)系進(jìn)行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像。線陣相機(jī)工作原理1、線陣相機(jī)的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸速率高：線掃描相機(jī)在對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行拍攝的時(shí)候所需要實(shí)現(xiàn)的smear輸出并不需要通過附加額外的快門，所以線掃描相機(jī)就具有更加高的數(shù)據(jù)傳輸速率了，對(duì)于高速檢測(cè)的應(yīng)用更加適合了，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)上的流水線能夠更好地滿足物體測(cè)量、監(jiān)控和檢測(cè)的需求。

高分辨率：線掃描相機(jī)可以擁有多個(gè)K單位像素，所以分辨率非常高，非常適用高精度檢測(cè)測(cè)量應(yīng)用，同時(shí)還適用于連續(xù)運(yùn)動(dòng)物體成像的應(yīng)用，其測(cè)量可以精確到微米。

線掃描相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍非常的大，靈敏度也非常的高，對(duì)于工業(yè)檢測(cè)項(xiàng)目中需要大幅面視場(chǎng)的要求非常合適。2、線掃相機(jī)目標(biāo)應(yīng)用

主要應(yīng)用有：印刷制品、大型玻璃、糧食色選、LCD面板檢查、PCB檢查、鋼鐵檢查、煙草行業(yè)、紡織行業(yè)等。這些產(chǎn)品共同的特點(diǎn)是：幅面較寬、速度快、精度高、流水線上產(chǎn)品連續(xù)性高。3、如何構(gòu)建線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)（1）線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)組成

硬件：處理器（如工控機(jī)）、線陣相機(jī)、線掃鏡頭、CameraLink卡、線掃光源、編碼器信號(hào)、取圖觸發(fā)信號(hào)等。

軟件：如視覺龍的龍睿DragonVision系統(tǒng)。（2）線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)硬件選型

工控機(jī)選型：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。3、如何構(gòu)建線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)（3）線陣相機(jī)選型

第一步：計(jì)算分辯率。被檢物體寬度（與運(yùn)動(dòng)方向垂直）除以最小檢測(cè)精度得出每行所需要的像素值。

第二步：計(jì)算實(shí)際精度。根據(jù)上面像素值選擇相機(jī)，然后用被檢物體寬度除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度。

第三步：計(jì)算每秒掃描行數(shù)，也就是線掃描速率。每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒的掃描行數(shù)。

例如被檢物體寬度為160mm、精度0.1mm、運(yùn)動(dòng)速度2200mm/s，相機(jī)分辨率：160/0.1＝1600像素應(yīng)為2000像素左右，先選定為2K相機(jī)實(shí)際精度為：160mm/2048像素＝0.08mm，線掃描速率：2200mm/0.08mm＝27.5KHz。所以應(yīng)選定相機(jī)為線掃描速率大約為28kHz的2K相機(jī)。3、如何構(gòu)建線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)（4）線掃鏡頭選型

由于線陣相機(jī)的芯片長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，精度較高，所以一般不能選用普通的C接口鏡頭。根據(jù)相機(jī)的鏡頭接口不同，需要各種轉(zhuǎn)接環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)接。（5）圖像采集卡的選擇

首先要判斷相機(jī)能支持的模式，CameraLink的基礎(chǔ)采集模式有Base、Medium和Full三種，也有高速的接口比如HSLINK模式，那我們?cè)谶x擇卡的時(shí)候就要支持這幾種模式的卡，比如相機(jī)需要用Full模式，那么采集卡也需要能支持Full模式。3、如何構(gòu)建線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)（6）線掃光源選型

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?，通過一個(gè)專門的光學(xué)透鏡和分光系統(tǒng)，最后通過光纖輸出，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^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。

3、如何構(gòu)建線陣相機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)LED光源是目前主流的機(jī)器視覺光源，特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，功耗非常小。

直流供電，無頻閃。專業(yè)的LED光源壽命非常長(zhǎng)。（如大多數(shù)國(guó)產(chǎn)光源的壽命50000小時(shí)亮度不小于50%）

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。（目前一般線光源亮度高達(dá)90000LUX）

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。

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。

（7）編碼器信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)

線陣相機(jī)的成像原理是相機(jī)與被拍攝的物體之間有相對(duì)勻速的運(yùn)動(dòng)，相機(jī)固定的情況下，對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)勻速性要求很高。目前來看，能達(dá)到相機(jī)采集精度的這種機(jī)構(gòu)并不是很多，這個(gè)時(shí)候就要采用編碼器觸發(fā)的方式進(jìn)行接線，編碼器的作用是在平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不勻速的情況下，使相機(jī)拍出的圖像不會(huì)拉伸或者壓縮。3.3.3線陣相機(jī)的分類

無論是面陣還是線陣相機(jī)，它們都與檢測(cè)內(nèi)容，制造工藝等息息相關(guān)，所以其分類也基本大致相同：按照芯片類型分：有CCD和CMOS兩種。線陣圖像傳感器以CCD為主，市場(chǎng)上曾經(jīng)也出現(xiàn)過一些線陣CMOS圖像傳感器，但是，線陣CCD仍是主流。按照?qǐng)D像顏色分：?jiǎn)紊筒噬＞€陣圖像傳感器分為單色和彩色兩種，因此線陣相機(jī)也分為單色和彩色兩種。按照掃描線可以分給單線、雙線、三線、多線等類型。按照相機(jī)接口分：Gige、CameraLink、Hslink。市場(chǎng)上目前還是以Gige和Cam