线阵相机技术报告整理.docx
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线阵相机技术报告整理
1.1相机和镜头的选型2
1.2线阵相机和镜头选型2
1.3图像采集卡、相机接口、PCI、PCI-E插槽的选型.3
1.4线阵相机、镜头、光源的选型详解4
1.5线阵相机与面阵相机的区别6
1.6工业相机的问与答9
线阵相机相关技术报告
1.1相机和镜头的选型
1.1.1面阵相机和镜头的选型
已知：
被检测物体大小为A*B,要求能够分辨小于C，工作距为D
解答：
1.计算短边对应的像素数E=B/C，相机长边和短边的像素数都要大于E；
2.像元尺寸=物体短边尺寸B/所选相机的短边像素数；
3.放大倍率=所选相机芯片短边尺寸/相机短边的视野范围；
4.可分辨的物体精度=像元尺寸/放大倍率（判断是否小于C）；
5.
物镜的焦距=工作距离/（1+1/
放大倍率）单位：
?
?
?
?
；
6.
像面的分辨率要大于1/（2*0.1*
放大倍率）单位：
lp?
?
?
?
?
；
以上只针对镜头的主要参数进行计算选择，其他如畸变、景深环境等，可根据实际要求进行选择。
1.1.2针对速度和曝光时间的影响，物体是否有拖影
已知：
确定每次检测的范围为80mm*60mm，200万像素CCD相机（1600*1200）,
相机或物体的运动速度为12m?
?
?
?
?
?
?
=200mm?
?
?
。
曝光时间计算：
1.曝光时间<长边视野范围/（长边像素值*产品运动速度）
2.曝光时间<80mm/（1600?
250mm/s）；
3.曝光时间<0.00025s=1?
4000?
?
；
总结：
故曝光时间要小于1?
4000?
?
，图像才不会产生拖影。
1.2线阵相机和镜头选型
1.2.1相机的选型
已知：
幅宽1600mm、检测精度1?
?
?
?
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?
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?
、运动速度22000?
?
?
?
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、物距
1300?
?
?
?
；
解答：
1.相机像素数=幅宽/检测精度=1600?
?
?
?
/1?
?
?
?
/pixel=1600?
?
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?
?
?
?
?
?
?
，
2.最少2000个像素，选定为2k相机；
3.扫描行频=运动速度/实际检测精度=22000?
?
?
?
/0.8?
?
?
?
=27.5KHz应选定相机为2048像素28kHz相机，像元尺寸10um；
1.2.2镜头的选型
1.
Sensor长度=像素宽度×像素数
=0.01?
?
?
?
×2048=20.48?
?
?
?
；
2.
镜头焦距=sensor长度×物距/
幅宽=20.48×1300/1600＝16?
?
?
?
；
1.3图像采集卡、相机接口、PCI、PCI-E插槽的选型
图像采集卡、相机接口、PCI、PCI-E插槽的选型如表1-1、1-2所示：
表1-1
相机接口表
相机接口
带宽
USB1.1
1.5MB/s
USB2.0
USB3.0
60MB/s（一般625MB/s（一般
40MB/s）
150MB/s）
1394A
50MB/s
1394B
100MB/s
千兆网
125MB/s
表1-2PCI插槽类型表
插槽类型
带宽
PCI
132MB/s
PCI-E（1lane-x1）
250MB/s（一般200MB/s）
PCI-E（4lane-x4）
1GB/s
PCI-E（8lane-x8）
2GB/s
PCI-E（16lane-x16）
4GB/s
计算数字采集卡的数据率必须满足的要求可按下列公式计算：
图像采集卡的数据率（又称点频）≥1.2*相机数据率；
相机数据率（又称像素时钟）=相机分辨率*
相机帧频*
相机的灰度级/8
；
插槽的带宽>图像采集卡的数据率>相机接口的带宽>1.2*
相机数据率；
传输通道数
脚Pin总数
主接口区Pin数
总长度
主接口区长度
1X
36
14
25mm
7.65mm
4X
64
42
39mm
21.65mm
8X
98
76
56mm
38.65mm
16X
164
142
89mm
71.65mm
PCI插槽有PCI32bit和PCI64bit的区别。
64bit自然比32bit的长。
1.4线阵相机、镜头、光源的选型详解
随着机器视觉的大规模普及与工业流水线速度、精度的提高，线扫描系统越来越被视觉工程师和最终用户所认可。
首先，我对线扫描系统做一个大致的介绍。
线扫描系统用于被测物体和相机之间有相对运动的场合，通过线扫描相机高速采集，每次采集完一条线后正好运动到下一个单位长度，继续下一条线的采集，这样一段时间下来就拼成了一张二维的图片，也就类似于面阵相机采集到的图片，不同之处是高度可以无限长。
接下来通过软件把这幅“无限长”的图片截成一定高度的图片，进行实时处理或放入缓存稍后进行处理。
视觉部分，包括线扫描相机、镜头、光源、图像采集卡和视觉软件；
运动控制部分，包括马达,马达驱动器,运动控制卡或PLC，为了保证采集的图像与输送带同步，有时还会需要编码器。
由于线扫描信息量大，所以需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和硬盘，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。
一般来说，一个面阵视觉系统的配置选型是按照这样的顺序进行的：
相机＋采集卡－>镜头－>光源；
线阵项目也类似，根据系统的检测精度和速度要求，确定线阵CCD相机分辨率和行扫描速度，同时确定对应的采集卡，只是需要选线阵相机镜头接口（mount）时同时考虑镜头的选型，最后确定光源的选型。
1.4.1线阵镜头的选型
为什么在选相机时要考虑镜头的选型呢？
常见的线阵相机分辨率目前有
1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K几种，像素大小有5μm、7μm、10μm、14μm几种，这样芯
片的大小从10.240mm（1Kx10μm）到86.016mm（12Kx7μm）不等。
很显然，C接口远远不能满足要求，因为C接口最大只能接22mm的芯片，也就是1.3inch。
而很多相机的接口为F，M42X1，M72X0.75等，不同的镜头接口对应不同的后背
焦（Flangedistance），也就决定了镜头的工作距离不一样。
光学放大倍率（β,Magnification）
确定了相机分辨率和像素大小，就可以计算出芯片尺寸（Sensorsize）；芯片
尺寸除以视野范围（FOV）就等于光学放大倍率，β=CCD/FOV；
接口（Mount）
主要有C、M42x1、F、T2、Leica、M72x0.75等几种，确定了之后，就可知道对应接口的长度。
后背焦（FlangeDistance）
后背焦是指相机接口平面到芯片的距离，是一个非常重要的参数，由相机厂家根据自己的光路设计确定。
不同厂家的相机，哪怕是接口一样，也可能有不同的后背焦。
1.4.2线阵相机光源选型
线扫描项目中，常用的光源主要有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧
光灯，不同类型的光源的优点与缺点如下所述：
1.卤素灯
卤素灯也叫光纤光源，特点是亮度特别高，但缺点也很明显--寿命短，只有
1000-2000小时左右，需要经常更换灯泡。
发光源是卤素灯泡，通过一个专门的
光学透镜和分光系统，最后通过光纤输出，光源功率很大，可高达250瓦。
卤素
灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的且色温稳定，适合用于对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。
用于线扫描的卤素灯，常常在出光口加上玻璃聚光镜头，进一步聚焦提高光源亮度。
对于较长的线光源，还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。
2.高频荧光灯
高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，特点是适合大面积照明，亮度较高，成本低，但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。
荧光灯一定需要高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图像的频率
（对线扫描相机来说就是行扫描频率），消除图像的闪烁。
专用的高频电源可做到
60KHz。
3.LED光源
LED光源是目前主流的机器视觉光源。
特点是寿命长，稳定性好，功耗非常
小：
1）直流供电，无频闪；
2）专业的LED光源寿命非常长。
（如美国AI的寿命50000小时亮度不小于50%）；
3）亮度也非常高，接近卤素灯的亮度，并且随着LED工艺的改善不断提高。
（目前美国AI线光源亮度高达90000LUX）；
4）可以灵活地设计成不同结构的线光源，如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源；
5）有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。
针对不同被测物体的表面特征和材质，选用不同颜色也就是不同波长的光源，获得更佳的图像；
1.5线阵相机与面阵相机的区别
1.5.1线阵相机
主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。
在机器视觉领域中，
线阵相机是一类特殊的视觉机器。
与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元
素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。
线阵相机的典型应用领域是检测连
续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。
被检测的物体通常匀速运动，利用一
台或多台相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面均匀检测。
可以对其图像
逐行进行处理，或者对由多行组成的面阵图像进行处理。
另外线阵相机非常适合
测量场合，这要归功于传感器的高分辨率，它可以准确测量到微米。
线阵相机，顾名思义是呈“线”状的。
虽然也是二维图像，但极长，几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。
一般上只在两种情况下使用这种相机：
1：
被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题；2：
需要极大的视野或极高的精度。
在第二种情况下（需要极大的视野或极高的精度），就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图像，合并成一张巨
大的图。
因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。
线阵型相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢－－一般相机的图像是400K～1M，而合并后的图像有几个M这么大，速度自然就慢了。
由于以上这两个原因，线阵相机只用在极特殊的情况下。
1.5.2面阵相机
相机像素是指这个相机总共有多少个感光晶片，通常用万个为单位表示，以
矩阵排列，例如300W像素、200W像素、40W像素。
百万像素相机的像素矩阵
为W*H=1000*1000。
相机分辨率，指一个像素表示实际物体的大小，用μm?
μm
表示。
数值越小，分辨率越高FOV是指相机实际拍摄的面积，以毫米×毫米表示。
FOV是由像素多少和分辨率决定的。
相同的相机，分辨率越大，它的FOV就越
小。
例如1K*1K的相机，分辨率为20μm，则他的FOV=1K*20×1k*20=20mm×20mm，如果用30μm的分辨率，他的FOV=1K*30×1k*30=30mm×30mm。
在图
像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，而是由分辨率决定的。
分辨率是由
选择的镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。
如
果采用20μm分辨率，对于1mm*0.5mm的零件，它总共占用像素1/0.02×0.5/0.02＝50×25个像素，如果采用30μm的分辨率，表示同一个元件，则有1/0.03
×0.5/0.03=33×17个像素，显然20μm的分辨率表现图像细节方面好过30μm的分辨率。
既然像素的多少不决定图像的分辨率（清晰度），那么大像素相机有何好处呢？
答案只有一个：
减少拍摄次数，提高测试速度。
1个是100W像素，另1个是300W像素，清晰度相同（分辨率均为20μm）,
第1个相机的FOV是20mm×20mm＝400平方mm，第二个相机的FOV是1200
平方mm,拍摄同一个PCB，假设第1个相机要拍摄30个图像，第2个相机则只需拍摄10个图像就可以了。
对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。
面阵CCD的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。
缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制，而线阵CCD的优点是
一维像元数可以做得很多，而总像元数角较面阵CCD相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。
以线阵CCD在线测量线径为例，就在不少论文中有所介绍，但在涉及到图像处理时都是基于理想的条件下，而从实际工程应用的角度来讲，线阵CCD图像处理算法还是相当复杂的。
由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。
线阵CCD的优点是分辨力高，价格低廉，如TCD1501C型线阵CCD，光敏像元数目为5000像元尺寸为7μm×7μm×7μm（相邻像元中心距）该线阵CCD一维成像长度35mm，可满足大多数测量视场的要求，但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应
位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。
一般看来，这
两方面的要求导致用线阵CCD获取图像有以下不足：
图像获取时间长，测量效
率低；由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；
图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。
即使如此，线阵CCD获取图像的方案在以下几方面仍有其特有的优势：
线阵
CCD加上扫描机构及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率
的面阵CCD；扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵
CCD像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵CCD获取的图像在扫描方向上
的精度可高于面阵CCD图像；新近出现的线阵CCD亚像元的拼接技术可将两个
CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1／2个像元，相当于将第二片CCD的所有像元依次插入第一片CCD的像元间隙中，间接“减小”线阵CCD像元尺寸，提高了CCD的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小CCD像元尺寸的难题，在理论上可获得比面阵CCD更高的分辨率和精度。
因此，线阵CCD加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛，尤其是在要求视场大，图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵CCD替代。
但是，仅有高的分辨率还不能保证有高的图像识别精度，特别是线阵CCD获取的图像虽然分辨率高，但由于受扫描运动精度的影响，其图像较面阵CCD图像更具特殊性。
因此，图像识别时不仅要充分利用分辨率高的优势，还必须从算法上克服扫描运动的影响，使机械传动的误差不致直接影响最终的图像识别精度。
线阵CCD图像的特点：
由于CCD像元是有间隔的，不论面阵还是线阵CCD获取的图像外观虽然是致密的，但实质上都是离散图像，但面阵CCD像元在纵横两个方向间隔一致，其图像的离散度是一致的，而线阵CCD图像由于存在像元间距和扫描行距，像素点在两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距，一般来说扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。
线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，在此过程中，线阵CCD在电机驱动下水平前移，按照固定的时间间隔采集一行图像。
从理论上讲，电机运动速度应该是匀速的；CCD采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间，也应该是相等的，因此行距应该是相等的，但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度
的变化，特别是机械传动部分的误差都会影响采集行距的一致性，同时，线阵CCD
自身光积分时间也会影响采集行距。
1.6工业相机的问与答
1：
工业相机的丢帧的问题是由什么原因引起的?
经常会有一些机器视觉工程师认为USB接口的工业相机会造成丢帧现象。
一
般而言，工业相机丢帧与工业相机所采用的传输接口是没有关系的，无论是USB，
还是1394、GigE、或者是CameraLink。
设计不良的驱动程序或工业相机硬件才是造成丢帧的真正原因：
设计不良的工业相机之所以会发生丢帧的现象，其实就是资料通道的堵塞，无法及时处理,所以新的图像进来时，前一张可能被迫丢弃，或是新的图像被迫丢弃。
要解决这问题，需要设计者针对驱动程序与工业相机硬件资料传输的每个环节进行精密的设计。
2：
工业相机输入、输出接口有哪些?
在机器视觉检测技术中，工业相机的输入、输出接口有
CameraLink
、IEEE
1394、USB2.0、Ethernet、USB3.0几种；
3：
知道被测物的长、宽、高以及要求的测量精度，如何来选择CCD相机和工业镜头，选择以上器件需要注意什么?
首先要选择合适的镜头。
选择镜头应该遵循以下原则：
1）.与之相配的相机的芯片尺寸是多大；
2）.相机的接口类型是哪种的，C接口，CS接口还是其它接口；
3）.镜头的工作距离；
4）.镜头视场角；
5）.镜头光谱特性；
6）.镜头畸变率；
7）.镜头机械结构尺寸；
选择CCD相机时，应该综合考虑以下几个方面：
1）.感光芯片类型；CCD还是CMOS
2）.视频特点；包括点频、行频。
3）.信号输出接口；
4）.相机的工作模式：
连续，触发，控制，异步复位，长时间积分。
5）.视频参数调整及控制方法：
Manual、RS232.
同时，选择CCD的时候应该注意，linch=16mm
而不是等于
25.4mm.
4：
CCD相机与CMOS相机的区别在哪里？
1、成像过程
CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。
但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。
尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。
2、集成性
从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。
CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。
而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的
计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS的成本相对CCD低很多。
同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。
随着CMOS
成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括：
Micron、CMOSIS、Cypress等。
3、速度
CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。
CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。
此外CMOS的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。
4、噪声
CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离
噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。
由于CMOS图像传感器集成度
高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。
近
年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器
提供了良好的条件。
5：
工业相机都有哪些主要参数？
1.分辨率
2.速度（帧频/行频）
3.噪声
4.信噪比
5.动态范围
6.像元深度
7.光谱响应
8.光学接口
6：
工业相机的分辨率是如何定义的？
分辨率是相机最基本的参数，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面
排列的像元数量。
通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：
1920（H）x1080（V），前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。
现在相机的分辨率通常表示多少K,如1K
（1024），2K（2048），3K（4096）等。
在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。
在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。
7：
工业相机的帧频和行频是什么意思？
相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧频表示，单
位fps（FramePersecond），如30fps，表示相机再1秒钟内最多能采集30帧
图像；线阵相机通常用行频便是单位KHz,如12KHz表示相机再1秒钟内最多能采集12000行图像数据。
速度是相机的重要参数，在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。
相机的速度需要满足一定要求，才能清晰准确的对物体成像。
相
机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响，芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。
8：
工业相机的噪声是什么意思？
工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标外的信号。
根据欧洲相机测试标准EMVA1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类：
一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shotnoise）,这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免，尤其确定的计算公式。
（就是：
噪声的平方=信号的均值）。
第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。
另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。
9：
工业相机的信噪比什么意思？
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，图像质量
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