线阵摄像机技术综述

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1、线阵摄像机技术综述线阵摄像机技术综述 中国大恒集团（有限）公司中国大恒集团（有限）公司 北京图像视觉技术分公司北京图像视觉技术分公司 吴迪靖吴迪靖 20072007年年3 3月月 什么是线阵摄像机什么是线阵摄像机 线阵摄像机使用的线阵摄像机使用的LineLine- -Scan SensorScan Sensor通常只通常只 有一行感光单元（少数彩色线阵使用三行有一行感光单元（少数彩色线阵使用三行 感光单元的感光单元的SensorSensor） 每次只采集一行图像每次只采集一行图像 每次只输出一行图像每次只输出一行图像 而传统而传统AreaArea- -Scan Scan 每次采集若干行图像并每

2、次采集若干行图像并 以帧方式（以帧方式（FrameFrame）输出）输出 线阵摄像机的工作原理（线阵摄像机的工作原理（1 1） 线阵摄像机是由线阵摄像机是由LineLine- -Scan CCDScan CCD传感器，驱传感器，驱 动控制电路和动控制电路和A/DA/D转换电路组成转换电路组成 被摄物发出的光线通过镜头进入到被摄物发出的光线通过镜头进入到CCDCCD传传 感器上感器上 CCDCCD传感器将光能转换成视频脉冲信号传感器将光能转换成视频脉冲信号 视频信号再经视频信号再经A/DA/D电路转换成数字信号输出电路转换成数字信号输出 每次输出的数字图像信号是一行像素每次输出的数字图像信号是一

3、行像素 线阵摄像机的工作原理（线阵摄像机的工作原理（2 2） 为什么要使用线阵摄像机为什么要使用线阵摄像机 更高分辨率更高分辨率更高分辨率更高分辨率 l l线阵每行像素数一般为线阵每行像素数一般为10241024，20482048，40964096，80128012；而一般的面阵仅为；而一般的面阵仅为 640640，768768，12801280，大于，大于20482048的面阵很少见的面阵很少见 l l从线阵获取的图像其垂直方向的像素行数可由用户自由指定，因此可以从线阵获取的图像其垂直方向的像素行数可由用户自由指定，因此可以 很容易得到分辨率很容易得到分辨率4096x40964096x409

4、6的高分图像的高分图像 更快的采集速度更快的采集速度更快的采集速度更快的采集速度 l l不同型号线阵的采集速度从每秒不同型号线阵的采集速度从每秒50005000行行- -6000060000行不等行不等 l l用户可以选择每几行或每十几行即构成一帧图像进行处理一次，因此可用户可以选择每几行或每十几行即构成一帧图像进行处理一次，因此可 达到很高的帧率达到很高的帧率 不间断的连续采集和处理不间断的连续采集和处理不间断的连续采集和处理不间断的连续采集和处理 l l可对直线运动的物体（直线导轨，滚筒上的纸张、织物、传送带上的物可对直线运动的物体（直线导轨，滚筒上的纸张、织物、传送带上的物 体等）进行连

5、续采集体等）进行连续采集 更简单合理的系统构造、更低的成本更简单合理的系统构造、更低的成本更简单合理的系统构造、更低的成本更简单合理的系统构造、更低的成本 l l线形照明成本更低，效果更好线形照明成本更低，效果更好 l l与面阵相比，不会浪费分辨率采集到无用数据与面阵相比，不会浪费分辨率采集到无用数据 彩色线阵彩色线阵3CCD vs. Tri3CCD vs. Tri- -LinearLinear 彩色线阵摄像机主要通过两种技术实现：彩色线阵摄像机主要通过两种技术实现： l l3CCD3CCD技术技术 摄像机内部采用摄像机内部采用3 3个独立的个独立的CCDCCD共同工作，通共同工作，通 过棱镜

6、分光的原理将被测物的过棱镜分光的原理将被测物的R R、G G、B B颜色信颜色信 息对应到相应的息对应到相应的CCDCCD上。上。 l lTriTri- -LinearLinear技术（技术（3 3线线CCDCCD） 摄像机内部采用摄像机内部采用1 1个个CCDCCD，但该，但该CCDCCD上有上有3 3条平条平 行的线，分别对应行的线，分别对应R R、G G、B B颜色信息的采集颜色信息的采集 彩色线阵彩色线阵3CCD3CCD技术（技术（1 1） 优点：优点： 图像质量好图像质量好 可用于采集不平坦的被测物的可用于采集不平坦的被测物的 图像图像 可从可从RGBRGB推广为推广为IRGBIRG

7、B或或 RGUvRGUv等不同组合满足检测需等不同组合满足检测需 求的变化求的变化 缺点：缺点： 价格较高价格较高 需要更强的照明需要更强的照明 为保证最佳效果需专用镜头为保证最佳效果需专用镜头 典型产品：典型产品： 丹麦丹麦JAI CVJAI CV- -L107CLL107CL 彩色线阵彩色线阵3CCD3CCD技术（技术（2 2） 3CCD3CCD技术技术专用镜头专用镜头 德国德国SchneiderSchneider和日本和日本KOWAKOWA均可以提供均可以提供3CCD3CCD专用镜头专用镜头 彩色线阵彩色线阵TriTri- -LinearLinear技术（技术（1 1） 优点：优点： 价

8、格便宜价格便宜 对照明强度要求相对较低对照明强度要求相对较低 可使用普通镜头可使用普通镜头 缺点：缺点： 如获得最佳品质图像需要进行如获得最佳品质图像需要进行 颜色的空间校正颜色的空间校正 对倾斜或凸凹不平的物体进行对倾斜或凸凹不平的物体进行 图像采集效果较图像采集效果较3CCD3CCD差差 空间校正时需要精确的位置信空间校正时需要精确的位置信 息息 典型产品：典型产品： 美国美国PerkinElmer YD5020PerkinElmer YD5020 彩色线阵彩色线阵TriTri- -LinearLinear技术（技术（2 2） TriTri- -LinearLinear空间校正（空间校正（

9、1 1） 由于由于3 3条线间的距离是固定的，可以条线间的距离是固定的，可以 通过镜头选择和添加位置编码信号将通过镜头选择和添加位置编码信号将 颜色对准，即进行空间校正颜色对准，即进行空间校正 未进行空间校正未进行空间校正! 进行空间校正后进行空间校正后! 校正前后局部放大对比图校正前后局部放大对比图 TriTri- -LinearLinear空间校正（空间校正（2 2） 线阵摄像机采集速度的确定线阵摄像机采集速度的确定 线阵摄像机的采集速度（线阵摄像机的采集速度（Line RateLine Rate）的单位是）的单位是 ： 行行/ /秒，表示线阵摄像机每秒钟可以采集的图像行秒，表示线阵摄像机

10、每秒钟可以采集的图像行 数数 线阵最大采集速度，即最高行频的计算公式：线阵最大采集速度，即最高行频的计算公式： 行频行频= = 线阵的像素时钟线阵的像素时钟 / / 线阵的每行像素数线阵的每行像素数 例如某例如某80M80M的线阵，其分辨率是的线阵，其分辨率是40964096像素，则其像素，则其 最大行频是最大行频是 ：80MHz / 4096 = 19.5KHz80MHz / 4096 = 19.5KHz；即该摄；即该摄 像机最大每秒可以采集像机最大每秒可以采集1950019500行，每行由行，每行由40964096个个 像素组成像素组成 线阵最大采集速度可直接查看该型号摄像机的技线阵最大采

11、集速度可直接查看该型号摄像机的技 术参数手册，通常该标称值会略小于公式计算值术参数手册，通常该标称值会略小于公式计算值 确定视场范围的方法确定视场范围的方法 线阵的视场范围是一维的，即只有宽度信息线阵的视场范围是一维的，即只有宽度信息 线阵的视场宽度和所选择的镜头焦距是相关的线阵的视场宽度和所选择的镜头焦距是相关的 线阵的视场宽度的计算公式如下：线阵的视场宽度的计算公式如下： Field of view (FOV) = pixel cell size x number of pixels x working Field of view (FOV) = pixel cell size x num

12、ber of pixels x working distance / focal lengthdistance / focal length 例如，例如， 某线阵摄像机某线阵摄像机SensorSensor上的像素物理尺寸（宽度）是上的像素物理尺寸（宽度）是10um, 10um, 摄摄 像机的分辨率是像机的分辨率是2048 2048 个像素个像素, , 镜头距离被测物体的距离是镜头距离被测物体的距离是160mm, 160mm, 使使 用的镜头焦距是用的镜头焦距是55mm55mm，那么该情况下的视场宽度是：，那么该情况下的视场宽度是：FOV = 10um x FOV = 10um x 2048 p

13、ixels x 160mm / 55mm = 59.58mm2048 pixels x 160mm / 55mm = 59.58mm 不同型号线阵摄像机所采用的不同型号线阵摄像机所采用的SensorSensor可能是不同厂家的。因此它们的可能是不同厂家的。因此它们的 像素物理尺寸很可能是不同的。对于分辨率同是像素物理尺寸很可能是不同的。对于分辨率同是20482048的两只不同型号的两只不同型号 的线阵摄像机，它们在同样的工作距离上，使用同一只镜头的情况下，的线阵摄像机，它们在同样的工作距离上，使用同一只镜头的情况下， 得到的实际视场很可能是不同的，这一点请千万注意。得到的实际视场很可能是不同的

14、，这一点请千万注意。 像素的物理尺寸可以从线阵摄像机的手册中查到。像素的物理尺寸可以从线阵摄像机的手册中查到。 图像高度方向上的精度确定（图像高度方向上的精度确定（1 1） 线阵每次仅采集一行，如果要将若干行拼接成一幅图像以得到被测线阵每次仅采集一行，如果要将若干行拼接成一幅图像以得到被测 物的像必须要求被摄物体（或线阵摄像机）沿图像高度方向运动。物的像必须要求被摄物体（或线阵摄像机）沿图像高度方向运动。 图像高度方向上的精度确定（图像高度方向上的精度确定（2 2） 与线阵摄像机的工作行频相关与线阵摄像机的工作行频相关 与被测物体（或摄像机）运动的速度相关与被测物体（或摄像机）运动的速度相关

15、图像高度方向的像素精度计算公式如下：图像高度方向的像素精度计算公式如下： 图像纵向精度（图像纵向精度（mm/pixelmm/pixel）= = 物体运动速度（物体运动速度（mm/smm/s）/ /线阵摄像机工线阵摄像机工 作行频（作行频（HzHz） 例：例：PerkinElmer SB2480PerkinElmer SB2480的最高工作行频是的最高工作行频是37300Hz37300Hz， 拍摄的传送带上的物体运动速度是拍摄的传送带上的物体运动速度是150m/min150m/min，则使用该，则使用该 线阵摄像机拍摄时在图像高度方向上的可得到最高精度是线阵摄像机拍摄时在图像高度方向上的可得到最高精度是 150000mm/60s / 37300Hz = 0.067 mm150000mm/60s / 37300Hz = 0.067 mm； 既在图像的高度方向上，每个像素代表实际距离是既在图像的高度方向上，每个像素代表实际距离是 0.067mm 0.067mm 如何锁定纵向精度（如何锁定纵向精度（1 1） 锁定纵向精度的意义：锁定纵向精度的意义： l l保证采集的图像不拉伸或压缩保证采集的图像不拉伸或压缩 l l保证处理算法的最终结果准确保证处理算法的最终结果准确 如何锁定纵向精度（如何锁定纵向精度（2 2） 使用行触发（使用行触发（Trigge