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?線陣相機與面陣相機的基本區別

文章出處:原文鏈接:https://blog.csdn.net/zhu_hongji/article/details/80854815 責任編輯:
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    工業相機按照傳感器的結構特性可分為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),那么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、被測視野為細長的帶狀,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。?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,而合并后的圖象有幾個M這么大,速度自然就慢了。慢功出細活嘛。由于以上這兩個原因,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:主要應用于工業、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??梢詫ζ鋱D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,這要歸功于傳感器的高分辨率,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,特別適用于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。由于生產技術的制約,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,而且為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坐標。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;由于掃描運動及相應的位置反饋環節的存在,增加了系統復雜性和成本;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,這個系統一般可用于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采集,每次采集完一條線后正好運動到下一個單位長度,繼續下一條線的采集,這樣一段時間下來就拼成了一張二維的圖片,也就類似于面陣相機采集到的圖片,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后進行處理。


視覺部分,包括線掃描相機,鏡頭,光源,圖象采集卡和視覺軟件;  


運動控制部分,包括馬達, 馬達驅動器, 運動控制卡或PLC,為了保證采集的圖象與輸送帶同步,有時還會需要編碼器?! ?/p>


由于線掃描信息量大,所以需要一臺高性能的工控機,配置大容量的內存和硬盤,主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽?! ?/p>


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+采集卡->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,同時確定對應的采集卡,只是需要選線陣相機鏡頭接口(mount)時同時考慮鏡頭的選型,最后確定光源的選型。


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


如幅寬為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,選定為2k相機

1600/2048=0.8實際精度

22000mm/0.8mm=27.5KHz

應選定相機為2048像素28kHz相機


線陣鏡頭的選型  


    為什么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,因為C接口最大只能接 22 mm 的芯片,也就是1.3inch。而很多相機的接口為F,M42X1,M72X0.75等,不同的鏡頭接口對應不同的后背焦(Flange distance),也就決定了鏡頭的工作距離不一樣?! ?/p>


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);芯片尺寸除以視野范圍(FOV)就等于光學放大倍率。β=CCD/FOV  


2、接口(Mount): 


 


    主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種,確定了之后,就可知道對應接口的長度。            


 


3、后背焦(Flange Distance)  


    后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,也可能有不同的后背焦。


 


有了光學放大倍率、接口、后背焦,就能計算出工作距離和節圈長度。選好這些之后,還有一個重要的環節,就是看MTF值是否足夠好?很多視覺工程師不了解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,并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、視野范圍滿足要求,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?!    ?/p>


 


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?!  ?/p>


    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,最后通過光纖輸出,光源功率很大,可高達250瓦。鹵素燈還有一個名字叫冷光源,因為通過光纖傳輸之后,出光的這一頭是不熱的且色溫穩定,適合用于對環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?!  ?/p>


    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?! ?/p>


    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?! ?/p>


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小時亮度不小于50%)  


3,亮度也非常高,接近鹵素燈的亮度,并且隨著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、同軸以及類似于碗狀的漫反射線光源?! ?/p>


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征和材質,選用不同顏色也就是不同波長的光源,獲得更佳的圖像?! ?/p>


線掃描相機、光源與被測物體之間的角度分析                                       


    以玻璃檢測為例,需要檢測的缺陷有:臟點、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,并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,才能確定最后的光源選型和相機、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?! ?/p>


結果發現:  


臟點,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,采用背面照明;  


刮傷和破損,正面低角度照明容易凸現?! ?/p>


裂紋,需要背面側照   


而且,以上缺陷并不是獨立的,而是互相影響。統計、分析如下?! ?/p>


綜合以上因素,最后選用背光斜射和正面照射結合,相機接近法線方向安裝?!  ?/p>


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。同時由于幅寬比較寬,對于線光源有兩個特別的要求,就是均勻性和直線性。因為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,取決于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。         


    由于現場環境比較復雜,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,有了方案之后,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:被檢測物體大小為A*B,要求能夠分辨小于C,工作距為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于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:確定每次檢測的范圍為80mm*60mm,200萬像素 CCD 相機(1600*1200),相機或物體的運動速度為12m/min   = 200mm/s 。

 曝光時間計算:  1. 曝光時間 < 長邊視野范圍 / (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:故曝光時間要小于 0.00025s  ,圖像才不會產生拖影


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