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  • 視覺百科

    線陣相機(jī):原理,技術(shù)及應(yīng)用

    時(shí)間:2022.11.29
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      近幾年,隨著線陣相機(jī)的普及,更多的行業(yè),在機(jī)器視覺應(yīng)用方案中,使用線陣相機(jī)。線陣相機(jī)的優(yōu)勢(shì)很突出,困難也很突出—開發(fā)和部署,比面陣相機(jī)更復(fù)雜。這篇文章,把線陣相機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí),做了一個(gè)總的梳理和歸納,希望對(duì)使用線陣相機(jī)的您,有所助益。

      1、為什么會(huì)需要線陣相機(jī)?

      客戶使用線陣相機(jī)的原因、場(chǎng)景很多,總結(jié)起來,基本是下面三個(gè)因素:

      a.被拍攝物的特殊性

      ?運(yùn)動(dòng)著的,無限長(zhǎng)的被拍攝物,如布匹、鋼帶、薄膜材料、紙張

      ?傳送帶上大小,顏色、分布各異的產(chǎn)品:果蔬、礦石、金屬零件等

      ?圓柱形物體:易拉罐、滾筒裝置

      b.對(duì)光的均勻性,要求很高

      ?線陣光源比面陣光源,更容易實(shí)現(xiàn)打光的均勻性

      c.成本考量

      ?1臺(tái)線陣相機(jī)vs多臺(tái)面陣相機(jī):成本更低,部署更方便。

      ?線陣相機(jī)vs高分辨率面陣相機(jī):成本更低。例如,高分辨率平板檢測(cè)行業(yè),使用高分辨率面陣相機(jī),成本很高,而用線陣相機(jī),成本可以低很多。同時(shí),屏幕的外形特點(diǎn),也對(duì)線陣相機(jī)很友好:長(zhǎng)寬均勻。線陣相機(jī)從上往下掃描一遍,可達(dá)到高分辨率面陣相機(jī)的成像效果。

    圓柱形物體 易拉罐

    1-3.png

    傳送帶產(chǎn)品

      
      2、什么是線陣相機(jī)?

      線陣相機(jī),顧名思義,拍出的圖像,像一條線,故,稱之為線陣相機(jī)。

      線陣相機(jī)和面陣相機(jī)的區(qū)別,從使用的芯片開始,就大不同:

      

    線陣相機(jī)和面陣相機(jī)的芯片



      面陣相機(jī)和線陣相機(jī)每次曝光拍照,成像對(duì)比:
     

    面陣相機(jī)和線陣相機(jī)每次曝光拍照成像對(duì)比

      上圖,每個(gè)方框,代表1個(gè)像素。


      3、線陣相機(jī)工作原理

    線陣相機(jī)工作原理

      注意:這里說的每次曝光,獲取1行圖像,是指線陣相機(jī)里的CMOS傳感器的一行進(jìn)行了拍照。不表示最終輸出的圖像,就是由這1行CMOS芯片輸出的。最終輸出的圖像,可能是由1行,2行,3行,4行,6行,8行或16行CMOS芯片拍攝的圖像處理而來,最終獲得1行圖像。

    CMOS芯片拍攝的圖像處理


      4、線陣相機(jī)怎么拍出一幅“面陣”圖像?

    線陣相機(jī)怎么拍出一幅面陣圖像


      在電腦里看到的圖像:

      ?每一行圖像,是線陣相機(jī)拍1-16行,再進(jìn)行圖像處理后得來(不排除未來還會(huì)有超過16行的應(yīng)用)

      ?每一幅圖像,是每一行圖像拼接而來

      5、線陣和面陣相機(jī)的拍照方式不同點(diǎn)

    線陣和面陣相機(jī)的拍照方式不同點(diǎn)

    線陣和面陣相機(jī)的拍照方式不同點(diǎn)


      6 、線陣相機(jī)vs面陣相機(jī),主要優(yōu)勢(shì)

    線陣相機(jī)對(duì)比面陣相機(jī)優(yōu)勢(shì)



      7、線陣相機(jī)的拍攝方向

    線陣相機(jī)的拍攝方向

      8、線陣相機(jī)的行頻與面陣相機(jī)的幀率

      ?幀率,是相機(jī)的拍照速度,通常用每秒拍的圖像張數(shù)來定義。它的單位是FPS,即Frame per Second

      ?行頻,其實(shí)是一種特殊的幀率:針對(duì)只有幾行像素的的CMOS,其拍照速度很快,能達(dá)到每秒幾萬張-幾十萬張,說出來很嚇人,但因?yàn)榕某鰜淼膱D,近似一條線,不能直接用,為避免誤解,就不把它叫幀率,而叫行頻。

    線陣相機(jī)的行頻與面陣相機(jī)的幀率示意圖

      說到頻率,大家首先會(huì)想到波,周期。

      如果把上圖藍(lán)色線條(線陣相機(jī)的一次拍照,一幅線狀圖像)想象為波峰,一秒中出現(xiàn)的紅線次數(shù),就是這個(gè)波的頻率。

      這也是“行頻”這個(gè)詞的由來。

      9、線陣相機(jī)的行高

      ?理論上來說,線陣相機(jī)可以無限拍下去,通過拼接,我們能得到一幅無限長(zhǎng)的圖像。

      ?無限長(zhǎng)意味著無限大,這樣的圖像,這樣的數(shù)據(jù)量,沒有任何計(jì)算機(jī)能處理。

      ?所以,實(shí)際應(yīng)用中,都需要根據(jù)應(yīng)用需求,每拍了X行后,就截取一幅圖像。

      ?這個(gè)X行,就是行高,就是這幅圖像有多少像素“高”

    線陣相機(jī)的行高示意圖


      10 、線陣相機(jī)的觸發(fā)方式:行觸發(fā)與幀觸發(fā)


      行觸發(fā)

      ?線陣相機(jī)接收到行觸發(fā)信號(hào)后,就拍一行圖像。

      ?行觸發(fā)適用于運(yùn)動(dòng)速度不那么均勻,或需要用到一些特殊成像技術(shù)的場(chǎng)景,例如:長(zhǎng)短曝光HDR,分時(shí)頻閃等,這些都需要用到行觸發(fā)。

      幀觸發(fā)

      ?線陣相機(jī)接收到幀觸發(fā)信號(hào)后,就拍一幀圖像。這里的一幀圖像,可自定義行高。幀觸發(fā)后,線陣相機(jī)一直按設(shè)定行頻拍照,直到達(dá)到指定行高。

      ?幀觸發(fā),比較適用于運(yùn)動(dòng)比較勻速的物體拍攝。

      11、理想行頻與運(yùn)動(dòng)速度、客戶要求精度

      什么是理想行頻?

      拍照速度,要與運(yùn)動(dòng)速度匹配,才能拍出清晰的圖像。理想行頻,就是與被拍攝物運(yùn)動(dòng)速度相匹配的行頻。每一個(gè)具體應(yīng)用,其理想行頻,都不相同。

      ?客戶要求精度。一般客戶說精度要達(dá)到0.xmm,表達(dá)的意思,是拍出來的圖像,要能分辨這個(gè)長(zhǎng)或?qū)挒?.xmm的圖案。而要達(dá)到這個(gè)要求,一般就需要用2-5個(gè)像素,來表現(xiàn)、呈現(xiàn)這個(gè)0.xmm。這樣,圖像算法或人的大腦,看到這幅圖像時(shí),就能比較容易的找到、識(shí)別出,檢測(cè)出這個(gè)0.xmm的圖案。

      ?像素精度。如下圖所示,像素精度,就是被拍攝目標(biāo)的一段長(zhǎng)度,用多少個(gè)像素在該目標(biāo)上的投影,來代表和表達(dá)。一個(gè)像素,與物體距離的遠(yuǎn)近,決定了其能表達(dá)的長(zhǎng)度(精度):可以是0.1mm,也可以是幾米,甚至幾光年(韋伯望遠(yuǎn)鏡)

      ?像素都是正方形,所以,也就決定了,X方向精度=Y方向精度。

      ?理想行頻=運(yùn)動(dòng)速度/像素精度。例如,一個(gè)物體,運(yùn)動(dòng)速度2000mm/s,像素精度0.1mm,則理想行頻=2000mm/s/0.1mm=20000/s,即20k(這個(gè)公式的另一層意思,是2000mm,可以劃分成多少個(gè)0.1mm)。

      ?分辨率;如果該物體寬1000mm,像素精度0.1mm,考慮到兩側(cè)冗余,則分辨率=1050/0.1=10500,即,這個(gè)精度下,需要10500個(gè)像素,才能對(duì)這么寬的物體進(jìn)行清晰的成像。

    行頻與運(yùn)動(dòng)速度、精度示意圖


      12、實(shí)際行頻與運(yùn)動(dòng)速度、理想行頻的關(guān)系

      像素精度確定的前提下,運(yùn)動(dòng)速度越快,理想行頻越高。

    實(shí)際行頻與運(yùn)動(dòng)速度、理想行頻的關(guān)系示意圖


      13、線陣相機(jī)怎么拍攝彩色圖像?

      彩色圖像,包括了R,G,B三個(gè)分量,因此,線陣相機(jī)要拍彩色圖像,也需要對(duì)三個(gè)分量進(jìn)行采集。

      如下圖所示,是常見的線陣相機(jī)R、G、B分量采集模式:

    線陣相機(jī)怎么拍攝彩色圖像

      14、黑白線陣相機(jī)有幾行?

      黑白圖像,只有1維變量,即灰度值。所以,在光照足夠的情況下,1行線陣相機(jī),即可對(duì)目標(biāo)清晰成像。

      那為什么還有2行,4行,8行,甚至16行的黑白線陣相機(jī)呢?

      這是因?yàn)椋?br/>
      ?一些應(yīng)用,難以安裝光源,光照充足這個(gè)條件不好滿足,于是用TDI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)弱光情況下的清晰成像(TDI技術(shù)本文后面會(huì)講到)。

      ?分時(shí)頻閃技術(shù)(本文后面會(huì)講到),需要用到多行線陣相機(jī)。

      ?長(zhǎng)短曝光技術(shù)(本文后面會(huì)講到),需要用到多行線陣相機(jī)。

      15、黑白線陣相機(jī)的多線技術(shù):TDI

      在比較暗的環(huán)境下拍照,清晰成像的條件,是CMOS芯片獲取足夠的光,而獲得足夠光的方法有:

      方案1:增加單位時(shí)間的光照強(qiáng)度(光源、大鏡頭收集光)

      方案2:增加CMOS感光時(shí)長(zhǎng)(延長(zhǎng)曝光時(shí)間)

      方案3:增加CMOS的感光面積(大靶面大像元)

      小故事:7月12日,webb望遠(yuǎn)鏡的第一張正式星空照片,用12.5小時(shí)的曝光時(shí)間,獲得了比哈勃望遠(yuǎn)鏡10天曝光時(shí)間更清晰的成像。主要原因就是webb望遠(yuǎn)鏡收集光的能力更強(qiáng)—鏡片更大。

      下列限制,使得TDI有了用武之地。

      a.由于線陣相機(jī)的拍照頻率(行頻),要與運(yùn)動(dòng)速度保持匹配,所以,曝光時(shí)間不能隨意增加,方案2不能用。

      b.而某些場(chǎng)景下,又無法增強(qiáng)光照(狹小空間),方案1不能用。

      c.用大靶面CMOS芯片,成本太高,或體積太大,無法在現(xiàn)場(chǎng)安裝,方案3不能用。

      TDI的本質(zhì):用不同行的芯片區(qū)域,對(duì)物體同一個(gè)區(qū)域拍照,每一行被光子激發(fā)的電子,都疊加到下一行,讓下一行間接獲得了上一行的“光”,經(jīng)過多次疊加后,最后一行的圖像就足夠“亮”,足夠清晰了。

    TDI的本質(zhì)示意圖

      TDI成像效果:從第1行到第10行,圖像逐漸變明亮、清晰。

    TDI成像效果示意圖


      TDI成像效果:光伏行業(yè)案例

    TDI成像效果光伏行業(yè)案例


      16、線陣相機(jī)的多線技術(shù):分時(shí)頻閃

      分時(shí)頻閃,是一種特殊的線陣掃描方式。

      區(qū)別于傳統(tǒng)線陣掃描的恒定照明方式,分時(shí)頻閃控制器在線陣相機(jī)每采集一行圖像時(shí)切換光源的種類或亮度,使得多種光源成像有序地間隔排列在圖像中。(是不是與長(zhǎng)短曝光技術(shù)很像?但HDR長(zhǎng)短曝光,光源是恒定的;而分時(shí)頻閃,更多是為了獲取不同角度或波長(zhǎng)的光照效果)

      采集完成后對(duì)原始圖像進(jìn)行拆分重組,即可在一次掃描中獲得多種光源效果圖像,從而降低成本,提高兼容性,獲得最佳成像效果。

      

    分時(shí)頻閃介紹示意圖

      

      分時(shí)頻閃在光伏行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用案例


    分時(shí)頻閃在光伏行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用案例


      17、線陣相機(jī)的多線技術(shù):長(zhǎng)短曝光HDR


      什么是HDR:High Dynamic Range,高動(dòng)態(tài)范圍。HDR主要作用,就是讓一幅圖片里

      ?暗的地方(欠曝),變亮點(diǎn)

      ?亮的地方(過曝),變暗點(diǎn)

      用大白話來形容HDR,就是:對(duì)被拍攝物不同區(qū)域的光照明暗,有更強(qiáng)的適應(yīng)性,讓各個(gè)區(qū)域都能清晰地成像。


    長(zhǎng)短曝光HDR


      HDR的實(shí)現(xiàn)方式有很多種,對(duì)于線陣相機(jī),有一種實(shí)現(xiàn)技術(shù),叫長(zhǎng)短曝光

      ?奇數(shù)行:短曝光

      ?偶數(shù)行:長(zhǎng)曝光

      ?最終獲得2幅圖像,用算法,將2幅圖像合并為一幅,就得到一個(gè)HDR圖像。

      是奇數(shù)行短曝光還是偶數(shù)行短曝光,這個(gè)無所謂。重點(diǎn)是隔行長(zhǎng)、短曝光就行。


    長(zhǎng)短曝光示意圖


      長(zhǎng)短曝光HDR在光伏行業(yè)的應(yīng)用案例:

    長(zhǎng)短曝光HDR在光伏行業(yè)的應(yīng)用案例

      18、線陣相機(jī)如何選型


      線陣相機(jī)選型的基本步驟如下:

      1.計(jì)算分辨率:幅寬/最小檢測(cè)精度=每行需要的像素(圖A:幅寬&gt;&gt;被拍攝物;圖B:幅寬&gt;被拍攝物;圖C:幅寬≈被拍攝物)

      2.確定像素精度:幅寬/像素?cái)?shù)=像素精度

      3.確定行頻:每秒運(yùn)動(dòng)速度/像素精度=理想行頻

      4.根據(jù)分辨率與行頻,選定相機(jī)

    線陣相機(jī)如何選型

      計(jì)算實(shí)例:


      *如幅寬為1800毫米、客戶要求精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速度25000mm/s

      *相機(jī):1800/1=1800像素,最少2000像素,選定為2k相機(jī)。如想提高清晰度,則可用2-5個(gè)像素表達(dá)1mm,則在現(xiàn)有像素值上乘以2-5倍。

      *像素精度:1800/2048=0.9

      *理想行頻:25000mm/0.9mm=27.8KHz

      *選擇實(shí)際行頻大于27.8KHz的2K相機(jī)即可

      度申線陣相機(jī)概覽

      度申線陣相機(jī),包括GigE千兆網(wǎng)系列和光纖萬兆網(wǎng)系列。

      度申千兆網(wǎng)線陣相機(jī),涵蓋了1K,2K,4K系列

      度申萬兆網(wǎng)線陣相機(jī),涵蓋了4K高行頻,8K,16K系列。

      度申率先在國(guó)內(nèi)推出了,基于光纖傳輸?shù)?,萬兆網(wǎng)工業(yè)線陣相機(jī)。采用光纖傳輸?shù)墓I(yè)相機(jī),可實(shí)現(xiàn)更高的帶寬、更長(zhǎng)的傳輸距離、更靈活的部署方式、更低的成本和更低的碳排放。

    度申萬兆網(wǎng)線陣相機(jī)

      光纖工業(yè)相機(jī)7大優(yōu)勢(shì):

    光纖工業(yè)相機(jī)7大優(yōu)勢(shì)

      物聯(lián)網(wǎng)、萬物互聯(lián)時(shí)代,光纖連接的各種突出優(yōu)勢(shì),使得光纖走進(jìn)企業(yè),光纖進(jìn)廠,大勢(shì)所趨。度申光纖線陣相機(jī),走在光纖進(jìn)廠的最前端—光連機(jī)器:


      我們,用光,感知智能制造

      我們,用光,傳輸智造信息

      我們,用光,用視覺,定義新的工業(yè)智能
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