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作者：傻子與倩倩
來源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/zhu_hongji/article/details/80854815
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瞭解線陣相機與面陣相機的基本區別
工業相機按照傳感器的結構特性可分爲面陣相機和線陣相機，面陣、線陣相機都有各自的優點和缺點，在用途不同的情況下選擇合適的傳感器的結構工業相機，至關重要。
1、類型區分
面陣相機：實現的是像素矩陣拍攝。相機拍攝圖像中，表現圖像細節不是由像素多少決定的，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，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），那麼大像素相機有何好處呢？答案只有一個：減少拍攝次數，提高測試速度。
線陣相機：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、被測視野爲細長的帶狀，多用於滾筒上檢測的問題。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），就需要用激發裝置多次激發相機，進行多次拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖象，合併成一張巨大的圖。因此，用線陣型相機，必須用可以支持線陣型相機的採集卡。 線陣型相機價格貴，而且在大的視野或高的精度檢測情況下，其檢測速度也慢－－一般相機的圖象是 400K～1M，而合併後的圖象有幾個M這麼大，速度自然就慢了。慢功出細活嘛。由於以上這兩個原因，線陣相機只用在極特殊的情況下。
2、應用對比：
面陣相機：應用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。
線陣相機：主要應用於工業、醫療、科研與安全領域的圖象處理。典型應用領域是檢測連續的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動 , 利用一臺或多臺相機對其逐行連續掃描 , 以達到對其整個表面均勻檢測。可以對其圖象一行一行進行處理 , 或者對由多行組成的面陣圖象進行處理。另外線陣相機非常適合測量場合，這要歸功於傳感器的高分辨率，它可以準確測量到微米。
3、優點對比：
面陣相機：可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。
線陣相機：一維像元數可以做得很多，而總像元素較面陣相機少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數高，特別適用於一維動態目標的測量。而且線陣分辨率高，價格低廉，可滿足大多數測量現場要求。
4、缺點對比：
面陣相機：像元總數多，而每行的像元數一般較線陣少，幀幅率受到限制，因此其應用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。由於生產技術的制約，單個面陣的面積很難達到一般工業測量現場的需求。
線陣相機：要用線陣獲取二維圖像，必須配以掃描運動，而且爲了能確定圖像每一像素點在被測件上的對應位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣每一掃描行的座標。一般看來，這兩方面的要求導致用線陣獲取圖像有以下不足：圖像獲取時間長，測量效率低；由於掃描運動及相應的位置反饋環節的存在，增加了系統複雜性和成本；圖像精度可能受掃描運動精度的影響而降低，最終影響測量精度。
另：線陣相機與面陣相機的選型
首先了解一下線掃描系統，這個系統一般可用於被測物體和相機之間有相對運動的場合，通過線掃描相機高速採集，每次採集完一條線後正好運動到下一個單位長度，繼續下一條線的採集，這樣一段時間下來就拼成了一張二維的圖片，也就類似於面陣相機採集到的圖片，不同之處是高度可以無限長。接下來通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片，進行實時處理或放入緩存稍後進行處理。
視覺部分，包括線掃描相機，鏡頭，光源，圖象採集卡和視覺軟件；
運動控制部分，包括馬達, 馬達驅動器, 運動控制卡或PLC，爲了保證採集的圖象與輸送帶同步，有時還會需要編碼器。
由於線掃描信息量大，所以需要一臺高性能的工控機，配置大容量的內存和硬盤，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。
一般來說，一個面陣視覺系統的配置選型是按照這樣的順序進行的。：
相機＋採集卡－>鏡頭－>光源
線陣項目也類似，根據系統的檢測精度和速度要求，確定線陣CCD相機分辨率和行掃描速度，同時確定對應的採集卡，只是需要選線陣相機鏡頭接口(mount)時同時考慮鏡頭的選型，最後確定光源的選型。
線陣攝像機(線陣工業相機）的選型
計算分辯率:幅寬除以最小檢測精度得出每行需要的像素
選定相機:幅寬除以像素數得出實際檢測精度
每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數
根據以上數值選定相機
如幅寬爲1600毫米、精度1毫米、運動速度22000mm/s
相機：1600/1＝1600像素
最少2000像素，選定爲2k相機
1600/2048＝0.8實際精度
22000mm/0.8mm＝27.5KHz
應選定相機爲2048像素28kHz相機
線陣鏡頭的選型
爲什麼在選相機時要考慮鏡頭的選型呢？常見的線陣相機分辨率目前有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接口遠遠不能滿足要求，因爲Ｃ接口最大隻能接 22 mm 的芯片，也就是1.3inch。而很多相機的接口爲Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對應不同的後背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。
1、光學放大倍率(β,Magnification)
確定了相機分辨率和像素大小，就可以計算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以視野範圍(FOV)就等於光學放大倍率。β=CCD/FOV
2、接口(Mount)：
主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種，確定了之後，就可知道對應接口的長度。
3、後背焦(Flange Distance)
後背焦指相機接口平面到芯片的距離，是一個非常重要的參數，由相機廠家根據自己的光路設計確定。不同廠家的相機，哪怕是接口一樣，也可能有不同的後背焦。
有了光學放大倍率、接口、後背焦，就能計算出工作距離和節圈長度。選好這些之後，還有一個重要的環節，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺工程師不瞭解MTF,而對高端鏡頭來說就必須用MTF來衡量光學品質。MTF涵蓋了對比度、分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的信息，並且非常詳細地表達了鏡頭中心和邊緣各處的光學質量。不僅只是工作距離、視野範圍滿足要求，邊緣的對比度不夠好，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
線掃描項目中，常用的光源有LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。
鹵素燈也叫光纖光源，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，需要經常更換燈泡。發光源是鹵素燈泡，通過一個專門的光學透鏡和分光系統，最後通過光纖輸出，光源功率很大，可高達250瓦。鹵素燈還有一個名字叫冷光源，因爲通過光纖傳輸之後，出光的這一頭是不熱的且色溫穩定，適合用於對環境溫度比較敏感的場合，比如二次元量測儀的照明。用於線掃描的鹵素燈，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。對於較長的線光源，還用幾組鹵素光源同時爲一根光纖提供照明。
高頻熒光燈，發光原理和日光燈類似，只是燈管是工業級產品，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高於相機採集圖象的頻率（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。
LED光源是目前主流的機器視覺光源。特點是壽命長，穩定性好，功耗非常小。
1，直流供電，無頻閃。
2，專業的LED光源壽命非常長。（如美國AI的壽命50000小時亮度不小於50%）
3，亮度也非常高，接近鹵素燈的亮度，並且隨着LED工藝的改善不斷提高。（目前美國AI線光源亮度高達90000LUX）
3，可以靈活地設計成不同結構的線光源，如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以及類似於碗狀的漫反射線光源。
4，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍、白，還有紅外、紫外。針對不同被測物體的表面特徵和材質，選用不同顏色也就是不同波長的光源，獲得更佳的圖像。
線掃描相機、光源與被測物體之間的角度分析
以玻璃檢測爲例，需要檢測的缺陷有：髒點、結石、雜質、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，一類是玻璃內部的。不同的缺陷，在圖象中表現的出的灰度不一樣，有黑的，有白的，也有灰的，並且在不同的光源照射角度或者相機接受角度，缺陷的對比度會變化，如在一個角度時，某一種缺陷的對比度最好，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，才能確定最後的光源選型和相機、光源和被測物體之間的相對角度。如下圖所示，相機、光源在不同角度安裝，分別測試。
結果發現：
髒點，正面光源或背光都較容易凸現；
結石和雜質，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，採用背面照明；
刮傷和破損，正面低角度照明容易凸現。
裂紋，需要背面側照
而且，以上缺陷並不是獨立的，而是互相影響。統計、分析如下。
綜合以上因素，最後選用背光斜射和正面照射結合，相機接近法線方向安裝。
光源、鏡頭的調試
線掃描系統，對光源和相機來說，有效的工作區域都是一個窄條。也就是保證光源照在這個最亮的窄條與相機芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個亮點。所以機械安裝、調試是比較費工夫的。同時由於幅寬比較寬，對於線光源有兩個特別的要求，就是均勻性和直線性。因爲線光源不同位置的亮暗差異，會直接影響圖象的亮度高低，這一點LED比鹵素燈更好控制。出光部分的直線性，取決於LED發光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。
由於現場環境比較複雜，客戶總是希望花多一些時間去現場調試。但如我們前面講到的相機、光源、被測物體的相對角度測試、分析，許多因素會直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實驗室測試，有了方案之後，再去現場調試，這樣會最有把握，也能提高調試效率。畢竟服務也是一種成本。 線掃描系統除了機械結構之外, 其主要組成部分還包括機器視覺和運動控制。
面陣相機和鏡頭選型
已知：被檢測物體大小爲A*B,要求能夠分辨小於C，工作距爲D 解答：
1. 計算短邊對應的像素數 E = B/C，相機長邊和短邊的像素數都要大於E；
2. 像元尺寸 = 物體短邊尺寸B / 所選相機的短邊像素數；
3. 放大倍率 = 所選相機芯片短邊尺寸 / 相機短邊的視野範圍；
4. 可分辨的物體精度 = 像元尺寸 / 放大倍率 （判斷是否小於C）；
5. 物鏡的焦距 = 工作距離 / (1+1 / 放大倍率) 單位：mm；
6. 像面的分辨率要大於 1 / (2*0.1*放大倍率) 單位：lpmm ；
以上只針對鏡頭的主要參數進行計算選擇，其他如畸變、景深環境等，可根據實際要求進行選擇。
*針對速度和曝光時間的影響，物體是否有拖影
已知：確定每次檢測的範圍爲80mm*60mm，200萬像素 CCD 相機(1600*1200),相機或物體的運動速度爲12m/min = 200mm/s 。
曝光時間計算： 1. 曝光時間 < 長邊視野範圍 / (長邊像素值 * 產品運動速度)
2. 曝光時間 < 80 mm / (1600∗250 mm/s)； 3. 曝光時間 < 0.00025s ；
總結：故曝光時間要小於 0.00025s ，圖像纔不會產生拖影