工業線陣相機與面陣相機特點分析

點滴成海~ 2018-06-29 13:50:38 ?12184 ?收藏 29
分類專欄： intership 文章標簽： 視覺元件分析
版權
?最近在公司實習，實習中的項目是使用的是微視的一款線陣相機（Microview MVC1024DLM-GE35）；所以把線陣、面陣相機的一些區別學習下：

了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。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。　　

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。　　

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。　　

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。　　　　　

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。　　　

????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。　　

????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。　　

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。　　

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。　　

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。　　

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。　　

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。　　　

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
————————————————
版權聲明：本文為CSDN博主「點滴成海~」的原創文章，遵循CC 4.0 BY-SA版權協議，轉載請附上原文出處鏈接及本聲明。
原文鏈接：https://blog.csdn.net/zhu_hongji/article/details/80854815