線陣相機和面陣相機的區(qū)別 線陣相機原理技術應用分析圖

第第頁線陣相機和面陣相機的區(qū)別線陣相機原理技術應用分析圖近幾年，隨著線陣相機的普及，更多的行業(yè)，在（機器視覺）應用方案中，使用線陣相機。

線陣相機的優(yōu)勢很突出，困難也很突出—開發(fā)和部署，比面陣相機更復雜。

這篇文章，把線陣相機的相關基礎知識，做了一個總的梳理和歸納，希望對使用線陣相機的您，有所助益。

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為什么會需要線陣相機？

客戶使用線陣相機的原因、場景很多，總結起來，基本是下面三個因素：

a.被拍攝物的特殊性

?運動著的，無限長的被拍攝物，如布匹、鋼帶、薄膜材料、紙張

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傳送帶上大小，顏色、分布各異的（產品）：果蔬、礦石、金屬零件等

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圓柱形物體：易拉罐、滾筒裝置

b.對光的均勻性，要求很高

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線陣光源比面陣光源，更容易實現(xiàn)打光的均勻性

c.成本考量

?1臺線陣相機vs多臺面陣相機：成本更低，部署更方便。

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線陣相機vs高分辨率面陣相機：成本更低。例如，高分辨率平板（檢測）行業(yè)，使用高分辨率面陣相機，成本很高，而用線陣相機，成本可以低很多。同時，屏幕的外形特點，也對線陣相機很友好：長寬均勻。線陣相機從上往下掃描一遍，可達到高分辨率面陣相機的成像效果。

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什么是線陣相機？

線陣相機，顧名思義，拍出的圖像，像一條線，故，稱之為線陣相機。

線陣相機和面陣相機的區(qū)別，從使用的（芯片）開始，就大不同：

面陣相機和線陣相機每次曝光拍照，成像對比：

面陣相機

線陣相機

上圖，每個方框，代表1個像素。

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線陣相機工作原理

注意：這里說的每次曝光，獲取1行圖像，是指線陣相機里的CMOS（傳感器）的一行進行了拍照。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。

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線陣相機怎么拍出一幅“面陣”圖像？

在（電腦）里看到的圖像：

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每一行圖像，是線陣相機拍1-16行，再進行圖像處理后得來（不排除未來還會有超過16行的應用）

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每一幅圖像，是每一行圖像拼接而來

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線陣和面陣相機的拍照方式不同點

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線陣相機vs面陣相機，主要優(yōu)勢

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線陣相機的拍攝方向

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線陣相機的行頻與面陣相機的幀率

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

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行頻，其實是一種特殊的幀率：針對只有幾行像素的的CMOS，其拍照速度很快，能達到每秒幾萬張-幾十萬張，說出來很嚇人，但因為拍出來的圖，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。

說到頻率，大家首先會想到波，周期。

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

這也是“行頻”這個詞的由來。

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線陣相機的行高

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理論上來說，線陣相機可以無限拍下去，通過拼接，我們能得到一幅無限長的圖像。

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無限長意味著無限大，這樣的圖像，這樣的數(shù)據量，沒有任何計算機能處理。

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所以，實際應用中，都需要根據應用需求，每拍了X行后，就截取一幅圖像。

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這個X行，就是行高，就是這幅圖像有多少像素“高”

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線陣相機的觸發(fā)方式：行觸發(fā)與幀觸發(fā)

行觸發(fā)

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線陣相機接收到行觸發(fā)（信號）后，就拍一行圖像。

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行觸發(fā)適用于運動速度不那么均勻，或需要用到一些特殊成像技術的場景，例如：長短曝光HDR，分時頻閃等，這些都需要用到行觸發(fā)。

幀觸發(fā)

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線陣相機接收到幀觸發(fā)信號后，就拍一幀圖像。這里的一幀圖像，可自定義行高。幀觸發(fā)后，線陣相機一直按設定行頻拍照，直到達到指定行高。

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幀觸發(fā)，比較適用于運動比較勻速的物體拍攝。

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理想行頻與運動速度、客戶要求精度

什么是理想行頻？

拍照速度，要與運動速度匹配，才能拍出清晰的圖像。理想行頻，就是與被拍攝物運動速度相匹配的行頻。每一個具體應用，其理想行頻，都不相同。

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客戶要求精度。一般客戶說精度要達到0.xmm，表達的意思，是拍出來的圖像，要能分辨這個長或寬為0.xmm的圖案。而要達到這個要求，一般就需要用2-5個像素，來表現(xiàn)、呈現(xiàn)這個0.xmm。這樣，圖像（算法）或人的大腦，看到這幅圖像時，就能比較容易的找到、識別出，檢測出這個0.xmm的圖案。

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像素精度。如下圖所示，像素精度，就是被拍攝目標的一段長度，用多少個像素在該目標上的投影，來代表和表達。一個像素，與物體距離的遠近，決定了其能表達的長度（精度）：可以是0.1mm，也可以是幾米，甚至幾光年(韋伯望遠鏡)

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像素都是正方形，所以，也就決定了，X方向精度=Y方向精度。

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

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分辨率；如果該物體寬1000mm，像素精度0.1mm，考慮到兩側冗余，則分辨率=1050/0.1=10500，即，這個精度下，需要10500個像素，才能對這么寬的物體進行清晰的成像。

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實際行頻與運動速度、理想行頻的關系

像素精度確定的前提下，運動速度越快，理想行頻越高。

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線陣相機怎么拍攝彩色圖像？

彩色圖像，包括了R,G,B三個分量，因此，線陣相機要拍彩色圖像，也需要對三個分量進行采集。

如下圖所示，是常見的線陣相機R、G、B分量采集模式：

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黑白線陣相機有幾行？

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，即可對目標清晰成像。

那為什么還有2行，4行，8行，甚至16行的黑白線陣相機呢？

這是因為：

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一些應用，難以安裝光源，光照充足這個條件不好滿足，于是用TDI技術來實現(xiàn)弱光情況下的清晰成像（TDI技術本文后面會講到）。

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分時頻閃技術（本文后面會講到），需要用到多行線陣相機。

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長短曝光技術（本文后面會講到），需要用到多行線陣相機。

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黑白線陣相機的多線技術：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：增加單位時間的光照強度（光源、大鏡頭收集光）

方案2：增加CMOS感光時長（延長曝光時間）

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望遠鏡的第一張正式星空照片，用12.5小時的曝光時間，獲得了比哈勃望遠鏡10天曝光時間更清晰的成像。主要原因就是webb望遠鏡收集光的能力更強—鏡片更大。

下列限制，使得TDI有了用武之地。

a.由于線陣相機的拍照頻率（行頻），要與運動速度保持匹配，所以，曝光時間不能隨意增加，方案2不能用。

b.而某些場景下，又無法增強光照（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)場安裝，方案3不能用。

TDI的本質：用不同行的芯片區(qū)域，對物體同一個區(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”，經過多次疊加后，最后一行的圖像就足夠“亮”，足夠清晰了。

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：光伏行業(yè)案例

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線陣相機的多線技術：分時頻閃

分時頻閃，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，分時頻閃（控制器）在線陣相機每采集一行圖像時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。（是不是與長短曝光技術很像？但HDR長短曝光，光源是恒定的；而分時頻閃，更多是為了獲取不同角度或波長的光照效果）

采集完成后對原始圖像進行拆分重組，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。

分時頻閃在光伏行業(yè)的實際應用案例

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線陣相機的多線技術：長短曝光HDR

什么是HDR：HighDynamicRange，高動態(tài)范圍。HDR主要作用，就是讓一幅圖片里

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暗的地方（欠曝），變亮點

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亮的地方（過曝），變暗點

用大白話來形容HDR，就是：對被拍攝物不同區(qū)域的光照明暗，有更強的適應性，讓各個區(qū)域都能清晰地成像。

HDR的實現(xiàn)方式有很多種，對于線陣相機，有一種實現(xiàn)技術，叫長短曝光

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奇數(shù)行：短曝光

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偶數(shù)行：長曝光

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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HDR圖像。

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

長短曝光HDR在光伏行業(yè)的應用案例：

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線陣相機如何選型

線陣相機選型的基本步驟如下：

1.計算分辨率：幅寬/最小檢測精度=每行需要的像素（圖A：幅寬>>被拍攝物；圖B：幅寬>被拍攝物；圖C：幅寬≈被拍攝物）

2.確定像素精度：幅寬/像素數(shù)=像素精度

3.確定行頻：每秒運動速度/像素精度=理想行頻

4.根據分辨率與行頻，選定相機

計算實例：

*如幅寬為1800毫米、客戶要求精度1毫米、運動速度25000mm/s

*相機：18