线阵相机技术报告整理

目录1.1相机和镜头的选型.................................................21.2线阵相机和镜头选型...............................................21.3图像采集卡、相机接口、PCI、PCI-E插槽的选型.31.4线阵相机、镜头、光源的选型详解.......................41.5线阵相机与面阵相机的区别...................................61.6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：𝑚𝑚；6.像面的分辨率要大于1/(2*0.1*放大倍率)单位：lp𝑚𝑚⁄；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12m𝑚𝑖𝑛⁄=200mm𝑠⁄。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=14000𝑠⁄；总结：故曝光时间要小于14000𝑠⁄，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1𝑚𝑚𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙⁄、运动速度22000𝑚𝑚𝑠⁄、物距1300𝑚𝑚；解答：1.相机像素数=幅宽/检测精度=1600𝑚𝑚/1𝑚𝑚/pixel=1600𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙，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=22000𝑚𝑚/0.8𝑚𝑚=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=0.01𝑚𝑚×2048=20.48𝑚𝑚；2.镜头焦距=sensor长度×物距/幅宽=20.48×1300/1600＝16𝑚𝑚；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USB1.11.5MB/sUSB2.060MB/s（一般40MB/s）USB3.0625MB/s（一般150MB/s）1394A50MB/s1394B100MB/s千兆网125MB/s表1-2PCI插槽类型表插槽类型带宽PCI132MB/sPCI-E(1lane-x1)250MB/s(一般200MB/s)PCI-E(4lane-x4)1GB/sPCI-E(8lane-x8)2GB/sPCI-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1X361425mm7.65mm4X644239mm21.65mm8X987656mm38.65mm16X16414289mm71.65mmPCI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C