機器視覺技術(shù)與應(yīng)用實戰(zhàn)-面陣相機和線陣相機

面陣相機面陣相機概述

面陣相機是以面為單位來進行圖像采集的，每次采集的都是一幅矩陣圖，一般情況下，工業(yè)相機按照芯片類型可以分為CCD相機和CMOS相機。相機按照應(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、位置等信息的測量和一維碼，二維碼，OCR等信息的讀取。面陣相機工作原理

面陣相機像源陣列排列，實現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。陣列中的每個感光單元對應(yīng)一個像素，被拍攝的目標(biāo)的一個面被成像，相機拍攝圖像中，目標(biāo)與相機之間可以是靜止的，也可以是相對運動的，可以在短時間內(nèi)曝光、一次性獲取完整的目標(biāo)圖像，具有測量圖像直觀的優(yōu)勢，常應(yīng)用于測量目標(biāo)物體的形狀、尺寸等信息，如圖所示。面陣相機工作原理面陣相機的特點

靈活的精度選擇，相機芯片分辨率可以從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，不像線掃相機需要專門的圖像采集卡。

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

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

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

面陣相機應(yīng)用領(lǐng)域3.測量：被測物體的邊緣尺寸（包括直徑、長度、寬度等）精確測量。

4.信息識別：一維碼，二維碼，OCR字符識別等。

面陣相機主要參數(shù)介紹傳感器尺寸：是指傳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英寸等規(guī)格。分辨率：是指傳感器像元排列的數(shù)量。幀率：單位FPS即幀/秒，指相機每秒鐘采集多少幅圖像。像元尺寸：指傳感器芯片像元的實際物理尺寸，尺寸一般為3μm-10μm。像元深度：指像元灰度的等級，一般都是8位0-255，也有10位0-1023。觸發(fā)方式：指相機采集圖像的方式，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涌冢话阌蠫igE、USB、1394等。光譜響應(yīng)：指相機對不同波長的光線的響應(yīng)能，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm。像素圖片的組成單位，芯片想對應(yīng)像元產(chǎn)生的圖片信息，對應(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

指傳感器芯片的尺寸大小，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最基本的參數(shù)，由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(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。線陣相機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，相機的分辨率對圖像質(zhì)量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細(xì)節(jié)的展示越明顯。面陣相機的主要參數(shù)（3）幀率相機的幀頻/行頻表示相機采集圖像的頻率，即相機每秒鐘采集多少幅圖像。面陣相機通常用幀頻表示，單位fps（FramePersecond），如30fps，表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線陣相機通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。相機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)計最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時鐘決定。（4）像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，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間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征面陣相機的主要參數(shù)（5）像元深度數(shù)字相機輸出的數(shù)字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對于黑白相機這個值的方位通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對于8bit的相機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個灰階而12bit有4096個灰階。每一個應(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。從8bit上升到10bit或者12bit的確可以增強測量的精度，但是也同時降低了系統(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：分辨率與灰度等級的又如何區(qū)分？面陣相機的主要參數(shù)（6）觸發(fā)方式

指相機采集圖像的方式，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（焦點/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C/CS5mm接圈，即可將CS口轉(zhuǎn)成C口面陣相機的主要參數(shù)（8）數(shù)據(jù)傳輸接口

指數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布涌?，目前主要?/p>

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

指相機對不同波長的光線的響應(yīng)能力。因此相機可分為：可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機。面陣相機的主要參數(shù)（11）噪聲工業(yè)相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標(biāo)外的信號。根據(jù)歐洲相機測試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288中，定義的相機中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shotnoise）,這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免，尤其確定的計算公式。（就是：噪聲的平方=信號的均值）。第二類是相機自身固有的與信號無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。另外，對數(shù)字相機來說，對視頻信號進行模擬轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。（12）信噪比相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號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。線陣相機線陣相機

顧名思義是呈“線”狀的。線陣相機是一類特殊的視覺機器，將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S視頻信號輸出，與面陣相機相比，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。雖然也是二維圖像，但極長。幾K的長度，而寬度卻只有幾個象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機：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。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，進行多次拍照，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，必須用可以支持線陣型相機的采集卡。面陣相機感光芯片線陣相機感光芯片線陣相機概述

線陣相機是以線為單位來進行圖像采集的，每次采集的都是一條線，然后再進行合成為一幅圖像。線陣相機單行的像素很高，加上行頻很高，適合高精度或運動的連續(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)物體與相機之間的相對運動，相機連續(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)用于一維動態(tài)目標(biāo)的測量，如需要極大的視野或極高的精度或被測視野為細(xì)長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。線陣相機工作原理

線陣CCD掃描測量系統(tǒng)主要由線陣CCD相機、運動工作臺、控制電路及線光源等組成。被測零件放置于運動工作臺上，隨工作臺一起以速度v向右方行進，零件未進入相機視場視場時，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)零件進入相機視場時，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)系進行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像。線陣相機工作原理1、線陣相機的特點

數(shù)據(jù)傳輸速率高：線掃描相機在對高速運動物體進行拍攝的時候所需要實現(xiàn)的smear輸出并不需要通過附加額外的快門，所以線掃描相機就具有更加高的數(shù)據(jù)傳輸速率了，對于高速檢測的應(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量、監(jiān)控和檢測的需求。

高分辨率：線掃描相機可以擁有多個K單位像素，所以分辨率非常高，非常適用高精度檢測測量應(yīng)用，同時還適用于連續(xù)運動物體成像的應(yīng)用，其測量可以精確到微米。

線掃描相機動態(tài)范圍非常的大，靈敏度也非常的高，對于工業(yè)檢測項目中需要大幅面視場的要求非常合適。2、線掃相機目標(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)建線陣相機檢測系統(tǒng)（1）線陣相機檢測系統(tǒng)組成

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

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

工控機選型：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(nèi)存和硬盤。3、如何構(gòu)建線陣相機檢測系統(tǒng)（3）線陣相機選型

第一步：計算分辯率。被檢物體寬度（與運動方向垂直）除以最小檢測精度得出每行所需要的像素值。

第二步：計算實際精度。根據(jù)上面像素值選擇相機，然后用被檢物體寬度除以像素數(shù)得出實際檢測精度。

第三步：計算每秒掃描行數(shù)，也就是線掃描速率。每秒運動速度長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、運動速度2200mm/s，相機分辨率：160/0.1＝1600像素應(yīng)為2000像素左右，先選定為2K相機實際精度為：160mm/2048像素＝0.08mm，線掃描速率：2200mm/0.08mm＝27.5KHz。所以應(yīng)選定相機為線掃描速率大約為28kHz的2K相機。3、如何構(gòu)建線陣相機檢測系統(tǒng)（4）線掃鏡頭選型

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

首先要判斷相機能支持的模式，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，那我們在選擇卡的時候就要支持這幾種模式的卡，比如相機需要用Full模式，那么采集卡也需要能支持Full模式。3、如何構(gòu)建線陣相機檢測系統(tǒng)（6）線掃光源選型

線掃描項目中，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(jīng)常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞?，通過一個專門的光學(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(wěn)定，適合用于對環(huán)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?zé)?，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(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級產(chǎn)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(yuǎn)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。

3、如何構(gòu)建線陣相機檢測系統(tǒng)LED光源是目前主流的機器視覺光源，特點是壽命長，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。（如大多數(shù)國產(chǎn)光源的壽命50000小時亮度不小于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。針對不同被測物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色也就是不同波長的光源，獲得更佳的圖像。

（7）編碼器信號和觸發(fā)信號

線陣相機的成像原理是相機與被拍攝的物體之間有相對勻速的運動，相機固定的情況下，對運動的機構(gòu)勻速性要求很高。目前來看，能達(dá)到相機采集精度的這種機構(gòu)并不是很多，這個時候就要采用編碼器觸發(fā)的方式進行接線，編碼器的作用是在平臺的運動過程中出現(xiàn)不勻速的情況下，使相機拍出的圖像不會拉伸或者壓縮。3.3.3線陣相機的分類

無論是面陣還是線陣相機，它們都與檢測內(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。按照圖像顏色分：單色和彩色。線陣圖像傳感器分為單色和彩色兩種，因此線陣相機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。按照相機接口分：Gige、CameraLink、Hslink。市場上目前還是以Gige和Cam