我了解的一些线阵相机知识

Posted 2023-01-18 J-A

线阵相机顾名思义就是取像是成线性的。 它的传感器是成线型的。

举个例子： 比如面阵相机的分辨率是640*480就是说这个相机横向有640个像元，纵向有480个像元。
而线阵相机分辨率只体现在横向，比如2048像素的线阵相机就是说横向有2048个像元，纵向大多数为1。（RGB相机和TDI相机除外）

关于线阵相机的传感器

70年代大多数使用的是MOS，而从70年代末CCD开始迅速发展，一直到现在也是主流，CMOS大概是在80年代中期开始出现的，但是随着技术的发展CCD的取像速度要低于CMOS，而且直到2010年以前CMOS的传感器价格要高于CCD，从2010年以后几家主要的相机制造商都已经大力开发CMOS的相机了，并且也得到了不少的实际应用。

鄙人认为，以后的线阵相机主流将是CMOS的传感器。（这两种传感器的优缺点大家可以到网上找，主要是取像速度和敏感度的差异）
线阵相机的几个重要参数:

 resolution: 像素数， 传感器上有多少个像元。

 MAX DATA RATE（应该叫相机时钟吧）： 意思是相机每秒可以采取最大的数据量

 Linerate 行频： 意思是每秒钟相机最大可以采取多少行影像

比如像素为8192*1， data rate为160Mhz, 那么此相机的行频就是160M/8192= 19000line/sec
每秒钟最大可以取像19000行，横向为8192pixel,纵向为19000pixel, 1秒钟取得的这幅图像大小大概为160M
还有就是像元的大小和镜头的尺寸。一般ccd的像元大小最小为5um，再小好像做不出来，而且感光度也差，cmos的像元可以比ccd小近一倍。

相机的选择十分重要，直接关系到整体设备的成本，像素多就要采用大的镜头，数据量大就要采用传输率大的数据线，还需要图像处理卡，数据量大对运算要求也高，对计算机的要求也高。

还是以目前的主流CCD相机为例子吧，由于相机的取像速度有限，一般每个tap最多能取得60M的数据，所以目前告诉的相机都采用多tap的处理方式，一般每个tap为40M，拿160M的相机为例就是有4个tap ,每个tap的取像为40M，40M*4=160Mhz, 当然也有single-tap(1), dual-tap(2), triple-tap(3),
octal-tap（8） 之分，目前ccd的取像速度都低于400M， 而cmos目前最高可以到1.6Ghz(以后可能会更高）
相机的输出方式也有多种，8bit,10bit,12bit, 我主要了解的就是8bit 黑白256进制影像。
有single输出，取像时1，2，3，~8192，有双输出，1，3，5，7/ 2,4,6,8, 也有1，3，5~4095/ 4097,4099~8191

这里的输出方式可以大概了解下（一般使用默认值对取像不会造成影响）

线阵相机主要接口还是以GiGe和cameralink为主流，高速的相机需要用HSlink.

相机主要的几个设定有exposre,gain, 还有内触发/外触发模式，不常用的当然也有很多如平均影像灰度，offset设定等等。
exposure ， 这个设定和相机的行频有直接关联，此设定必须低于可以采取的最大行频。

比如刚才的19000行的相机，如果想采取19000行的话，设定为1sec/19000=
53us 这里还有一些延迟在里面，设定在47us左右才可以采集最大的行频。 （表达不清楚，烦）
此数值越低，获取的影像越暗，反之越亮。

gain/offset， 调整取得影像的灰度，在照明亮度不够时可以使用，但是使用后会导致影像的鲜明度下降，对分析影像时会造成一些影像，我不建议使用，即使使用也不要超过默认值的20%

还有一些其他的设定可以参照相机的说明书。

线阵相机的应用领域，主要为连续的生产线（web),比如钢铁冶金，有色金属，电子素材，纺织，造纸，LCD等等，也可以说面阵相机可以应用的领域线阵相机也都可以完成，但是就是成本问题了。
我举一个实例说明吧， 这里先举一个单目相机实例。

电子铜带的表面缺陷检测设备

电子铜带宽度450mm， 生产线速度120米每分，需要检测最小缺陷为0.2mm

那么在选型的时候就可以考虑 4096像素的线阵相机，这样使用普通F口的镜头，横向分辨率大概是0.11mm，可以检测出最小0.2mm的缺陷了，那么纵向怎么选择呢？ 120米每分=2米每秒=2000mm每秒

如果让横向纵向分辨率都一致的话 应该是2000mm/ 0.11=
18180line 相机需要每秒采取18180行才可以完成对产品的全幅取像。 这样 我们可以选择 4096像素，行频为19000的相机了。这种参数的相机可以对产品全幅取像。

刚才群友 上海-Alex-VC问 会不会出现一秒钟扫的全是同一行的现象出现。
使用外触发就不会。

外触发意思是，外部给相机一个pulse,相机就扫描一行。生产线速度快，扫描频率就高，反之则低。

外触发主要有编码器来实现（有点扯远了，到编码器了）， 编码器主要有2种，一种为固定pulse(比如1mm就是1pulse,不变），一种为转一圈为固定pulse, 编码器的输出信号也有多种，例如linediver等， 相机获取的信号种类也有多种，如ttl, lvds,differetion,等。

还拿电子铜带举例吧，这里我们使用固定的pulse编码器，每1mm发生1pulse,

那么就是说相机每1mm扫描一次取一次影像，这样的话横向分辨率是0.11mm, 纵向是1mm了，整体影像变形就不好了。有2种方案解决，1是选择编码器的时候尽量选择和行频一样的编码器，2是通过相机的设定来改变行频。

各种相机都含有convert模式，意思是对收到的pulse进行转换，转换成需要的数值，如果将横向和纵向都变成0.11mm的话，就增加9倍就可以了，相机每收到1pulse自动连续扫描9次，那么每一行的分辨率就是1mm/9=0.11mm，

这样横向和纵向的分辨率就一致了。

比如刚才的1mm发生1pulse, 相机得到1pulse扫描9行的情况：

生产线为1米没秒的时候，相机扫描行数为1000mm/19=9000行每秒 ， 生产线没进行1米，编码器发生1000pulse, 相机取像9000行，生产线为2米每秒的时候，相机扫描行数为2000mm/19=
18000行每秒，生产线每进行2米，编码器法师2000pulse, 相机取像18000行。 只要外触发设置好是不会出现连续在同一行扫描的情况。
这里又关系到了彩色相机，彩色相机是3线的，三线在同一行扫描，然后组合得到这一行的彩色影像。

还有TDI相机，有8行，16行，32行最高好像512行，就是在同一行取像，获得最佳影像，这种相机贵，对照明要求低，但是需要很高的datarate。