【机器视觉必学篇】线阵工业相机的原理及应用

在机器视觉应用中，线阵工业相机的使用率很高，相比面阵工业相机，线阵工业相机更为复杂。下面我们来看看线阵工业相机的原理、优势及应用。

一、线阵工业相机的定义

线阵工业相机是二维图像传感器的一种特殊形式，线阵工业相机以其极长且狭窄的成像特点，在视觉检测中有着独特用途。它通常呈“线”状，被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题，或需要极大的视野或极高的精度的场景。

二、线阵工业相机的原理

线阵相机的工作原理可以简单概括为：通过对移动物体进行拍摄，将各个像素所采集到的光电信号转换为数字信号进行存储和处理，并最终生成一张常规的二维图像。具体过程包括：

1. 光学系统：利用透镜将物体成像在一根由许多光敏元件（像素）组成的线阵芯片上。
2. 光电转换：当物体通过相机时，每个像素依据被照射的光亮度会产生不同的电压信号，合，就可以得到一张完整的图像。将这些电信号进行整
3. 数字化处理：经过数据采集卡的转换，将模拟电信号转化为数字（二进制）信号并存储到计算机中。
4. 图像处理：通过计算机对采集到的图像进行处理和分析，最终得到需要的检测和测量结果。

线阵工业相机通常使用的芯片如下图所示，

每次曝光，获取1行图像，是指线阵相机里的CMOS传感器的一行进行了拍照。不表示最终输出的图像，就是由这1行CMOS芯片输出的。最终输出的图像，可能是由1行，2行，3行，4行，6行，8行或16行CMOS芯片拍摄的图像处理而来，最终获得1行图像。如下图所示。

对于宽幅面的被测物，需要多台面阵工业相机来拍摄，而使用1台线阵工业相机就可以解决宽幅面拍摄的问题。

线阵工业相机拍摄时垂直于被测物的运动方向。

三、线阵工业相机常用参数

1、行频：相机的拍照速度，通常用每秒拍的图像张数来定义，它是一种特殊的帧率，针对只有几行像素的的CMOS，其拍照速度很快，能达到每秒几万张-几十万张，但因为拍出来的图，近似一条线，不能直接用。一般用KHz单位来表示。

2、行高： 理论上来说，线阵相机可以无限拍下去，通过拼接，我们能得到一幅无限长的图像。无限长意味着无限大，这样的图像，这样的数据量，没有任何计算机能处理。所以，实际应用中，都需要根据应用需求，每拍了X行后，就截取一幅图像。这个X行，就是行高，就是这幅图像有多少像素“高”。

3、触发方式：

• 行触发

　线阵相机接收到行触发信号后，就拍一行图像。行触发适用于运动速度不那么均匀，或需要用到一些特殊成像技术的场景，例如：长短曝光HDR，分时频闪等，这些都需要用到行触发。

• 帧触发

　线阵相机接收到帧触发信号后，就拍一帧图像。这里的一帧图像，可自定义行高。帧触发后，线阵相机一直按设定行频拍照，直到达到指定行高。帧触发，比较适用于运动比较匀速的物体拍摄。

4、理想行频与运动速度、客户要求精度

理想行频：拍照速度，要与运动速度匹配，才能拍出清晰的图像。理想行频，就是与被拍摄物运动速度相匹配的行频。每一个具体应用，其理想行频，都不相同。一般客户说精度要达到0.xmm，表达的是拍出来的图像，要能分辨这个长或宽为0.xmm的图案。而要达到这个要求，一般就需要用2-5个像素，来表现、呈现这个0.xmm。这样，图像算法或人的大脑，看到这幅图像时，就能比较容易的找到、识别出，检测出这个0.xmm的图案。

像素精度，就是被拍摄目标的一段长度，用多少个像素在该目标上的投影，来代表和表达。一个像素，与物体距离的远近，决定了其能表达的长度（精度）：可以是0.1mm，也可以是几米，甚至几光年。

　像素都是正方形，所以，也就决定了，X方向精度=Y方向精度。

理想行频=运动速度/像素精度。例如，一个物体，运动速度2000mm/s，像素精度0.1mm，则理想行频=2000mm/s/0.1mm=20000/s，即20k（这个公式的另一层意思，是2000mm，可以划分成多少个0.1mm）。

　分辨率；如果该物体宽1000mm，像素精度0.1mm，考虑到两侧冗余，则分辨率=1050/0.1=10500，即，这个精度下，需要10500个像素，才能对这么宽的物体进行清晰的成像。

5、像素精度确定的前提下，运动速度越快，理想行频越高。

6、线阵相机怎么拍摄彩色图像？

彩色图像，包括了R,G,B三个分量。线阵相机要拍彩色图像，也需要对三个分量进行采集。

3行线阵相机，每行代表一个颜色，这样获取的彩色图像效果更好。2行线阵工业相机，也可以拍摄彩色，但是色彩还原度没有3行的好。

7、黑白线阵相机有几行？

黑白线阵相机有1行，2行，4行，8行，甚至16行。在光照充足的条件下，1行即可清晰成像。

一些应用，难以安装光源，光照充足这个条件不好满足，于是用TDI技术来实现弱光情况下的清晰成像。

8、黑白线阵相机的多线技术：TDI

TDI的本质：用不同行的芯片区域，对物体同一个区域拍照，每一行被光子激发的电子，都叠加到下一行，让下一行间接获得了上一行的“光”，经过多次叠加后，最后一行的图像就足够“亮”，足够清晰了。

四、线阵相机如何选型

　　了解了线阵工业相机的原理后，那么如何才能选择一款合适的线阵相机？参照以下线阵工业相机的选型步骤：

　　1.计算分辨率：幅宽/最小检测精度=每行需要的像素

　　2.确定像素精度：幅宽/像素数=像素精度

　　3.确定行频：每秒运动速度/像素精度=理想行频

　　4.根据分辨率与行频，选定相机。

例如，幅宽为1800mm、客户要求精度1mm、运动速度25000mm/s。选择一款线阵工业相机？

首先，计算分辨率，幅宽/最小检测精度=1800/1=1800（每行需要的像素），最少2000像素，选定为2k相机。如想提高清晰度，则可用2-5个像素表达1mm，则在现有像素值上乘以2-5倍。

接下来，计算像素精度，幅宽/像素数=1800/2048=0.9

计算理想行频，每秒运动速度/像素精度=25000/0.9=27.8KHz

选择实际行频大于27.8KHz的2K相机即可。

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五、为什么选择线阵工业相机

选择线阵工业相机主要有以下原因：

a.被拍摄物的特点

　　•运动着的，无限长的被拍摄物，如布匹、钢带、薄膜材料、纸张。

　　•传送带上大小，颜色、分布各异的产品：果蔬、矿石、金属零件等。

　　•圆柱形物体：易拉罐、滚筒装置。

　　b.对光的均匀性，要求很高。

　　•线阵光源比面阵光源，更容易实现打光的均匀性。

　　c.成本考量

　　•1台线阵相机vs多台面阵相机：线阵工业相机成本更低，部署更方便，成像效果好。

线阵工业相机以其高分辨率、高速度、大视野、灵活性、成本效益、环境适应性和易于集成等优点，在多种工业应用中发挥着重要作用。

六、应用领域

线阵相机是一种广泛应用于工业、农业等领域的相机，其典型应用领域包括金属、塑料、纸张和纤维等连续材料的检测。被检测物体通常以恒定的速度运动，使用一台或多台工业相机对其进行逐行连续扫描，以实现对其整个表面的均匀检测。此外，线阵工业相机还非常适合测量场合，这得益于传感器的高分辨率，可以精确到微米级的测量。

七、市场现状与发展趋势

1. 市场现状：中国的线阵相机市场展现出稳定的扩张趋势，预计未来几年内将以每年约12%的复合增长率稳步增长。这一增长主要归功于技术进步、需求增加以及政策支持等多重因素。
2. 应用领域分布：线阵相机广泛应用于医疗诊断、工业检测、科学研究等多个行业。其中，医疗领域的应用占据了一定比例，随着对高精度成像和数据分析的需求日益增强，未来几年内该领域对于线阵相机的需求将持续增长。同时，工业检测领域也显示出强劲的增长动力，特别是在自动化生产线中，对高速、高精度的图像采集有严格要求。
3. 竞争格局：中国线阵相机市场呈现出较高的集中度，几家领先企业占据主要市场份额，并通过技术创新和成本控制保持竞争优势。新兴企业和潜在竞争者也在不断加入这一市场，通过开发新型传感器技术或优化生产工艺来寻求突破，以适应市场需求的变化。
4. 技术发展趋势：预计未来几年内，线阵相机将在成像技术、智能化以及可持续性技术等方面实现进步。例如，CMOS和CCD等传感器的性能将得到进一步提升，同时集成度、数据处理速度和能效比都将有显著提高；AI在图像识别与分析中的应用将持续扩大，推动自动化线阵相机系统的快速发展；环保材料的使用和能效提升方案将成为市场关注的重点。

线阵工业相机作为一种特殊的二维图像传感器，在机器视觉领域具有广泛的应用前景和市场潜力。随着技术的不断进步和市场需求的不断增加，线阵工业相机将在更多领域发挥重要作用。