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  • 了解线阵相机与面阵相机的基本区别 工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用途不同的情况下选择合适的传感器的结构工业相机,至关重要。 文章目录1、...

    了解线阵相机与面阵相机的基本区别

    工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用途不同的情况下选择合适的传感器的结构工业相机,至关重要。

    1、类型区分

    面阵相机:实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中,表现图像细节不是由像素多少决定的,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。 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。
    在这里插入图片描述
    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:
    在这里插入图片描述
    一、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。
    二、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”形图象,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--一般相机的图象是 400K~1M,而合并后的图象有几个M这么大,速度自然就慢了。慢功出细活嘛。

    由于以上这两个原因,线阵相机只用在极特殊的情况下。

    2、应用对比:

    面阵相机:应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。

    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。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。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。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。

    3、优点对比

    面阵相机:可以获取二维图像信息,测量图像直观。

    线阵相机:一维像元数可以做得很多,而总像元素较面阵相机少,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。而且线阵分辨率高,价格低廉(?),可满足大多数测量现场要求。

    4、缺点对比

    面阵相机: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,因此其应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。由于生产技术的制约,单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。

    线阵相机:要用线阵获取二维图像,必须配以扫描运动,而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。一般看来,这两方面的要求导致用线阵获取图像有以下不足:图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。

    附:线阵相机与面阵相机的选型

    首先了解一下线扫描系统,这个系统一般可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,图象采集卡和视觉软件;

    运动控制部分,包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC,为了保证采集的图象与输送带同步,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。

    线阵摄像机(线阵工业相机)的选型

    计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
    选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度
    每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数
    根据以上数值选定相机

    如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
    相机:1600/1=1600像素
    最少2000像素,选定为2k相机
    1600/2048=0.8实际精度
    22000mm/0.8mm=27.5KHz
    应选定相机为2048像素28kHz相机

    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,象素大小有5um,7um,10um,14um几种,这样芯片的大小从 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)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 22 mm 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(Flange distance),也就决定了镜头的工作距离不一样。

    1、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(Sensor size);芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV

    2、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。

    3、后背焦(Flange Distance)

    后背焦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。

    有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后,还有一个重要的环节,就是看MTF值是否足够好?很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求,边缘的对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。

    线扫描线阵光源的选型

    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。

    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象的频率(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。

    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)

    3,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。

    4,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。

    线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析

    以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。

    结果发现:

    脏点,正面光源或背光都较容易凸现;

    结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;

    气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;

    刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。

    裂纹,需要背面侧照

    而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。

    综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。

    光源、镜头的调试

    线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。

    由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。

    面阵相机和镜头选型

    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 / (20.1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。
      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12m/min = 200mm/s 。
      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)

    7. 曝光时间 < 80 mm / (1600∗250 mm/s); 3. 曝光时间 < 0.00025s ;

    总结:故曝光时间要小于 0.00025s ,图像才不会产生拖影

    引自:https://mp.weixin.qq.com/s/dpuTyuVQEHGzuElTe8YIrg

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  • 大华、海康面阵相机、Dalsa线扫相机的外触发接线电路原理详解
  • 千兆网口工业面阵相机用户手册V3.0.1.pdf
  • 工业线阵相机与面阵相机特点分析

    千次阅读 2019-01-10 21:11:47
    ---------------------  作者:傻子与倩倩  来源:CSDN  ...版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文... 工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用...

    --------------------- 
    作者:傻子与倩倩 
    来源:CSDN 
    原文:https://blog.csdn.net/zhu_hongji/article/details/80854815 
    版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!

    了解线阵相机与面阵相机的基本区别

        工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用途不同的情况下选择合适的传感器的结构工业相机,至关重要。

    1、类型区分

    面阵相机:实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中,表现图像细节不是由像素多少决定的,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。 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。

     

    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:一、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。二、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”形图象,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--一般相机的图象是 400K~1M,而合并后的图象有几个M这么大,速度自然就慢了。慢功出细活嘛。由于以上这两个原因,线阵相机只用在极特殊的情况下。 

    2、应用对比:

    面阵相机:应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。

    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。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。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。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。

    3、优点对比:

    面阵相机:可以获取二维图像信息,测量图像直观。

    线阵相机:一维像元数可以做得很多,而总像元素较面阵相机少,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。而且线阵分辨率高,价格低廉,可满足大多数测量现场要求。

    4、缺点对比:

    面阵相机: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,因此其应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。由于生产技术的制约,单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。

    线阵相机:要用线阵获取二维图像,必须配以扫描运动,而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。一般看来,这两方面的要求导致用线阵获取图像有以下不足:图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。

    另:线阵相机与面阵相机的选型

     

         首先了解一下线扫描系统,这个系统一般可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,图象采集卡和视觉软件;  

    运动控制部分,包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC,为了保证采集的图象与输送带同步,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。

    线阵摄像机(线阵工业相机)的选型  

    计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
    选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度
    每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数
    根据以上数值选定相机

    如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
    相机:1600/1=1600像素
    最少2000像素,选定为2k相机
    1600/2048=0.8实际精度
    22000mm/0.8mm=27.5KHz
    应选定相机为2048像素28kHz相机

    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,象素大小有5um,7um,10um,14um几种,这样芯片的大小从 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)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 22 mm 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(Flange distance),也就决定了镜头的工作距离不一样。  

    1、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(Sensor size);芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV  

    2、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。            

     

    3、后背焦(法兰距 Flange Distance)  

        后背焦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。

     

    有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后,还有一个重要的环节,就是看MTF值是否足够好?很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求,边缘的对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。     

     

    线扫描线阵光源的选型    

        线扫描项目中,常用的光源有LED光源、卤素灯(光纤光源)、高频荧光灯。   

        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。   

        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象的频率(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。  

        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)  

    3,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。  

    4,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。  

    线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析                                       

        以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。  

    结果发现:  

    脏点,正面光源或背光都较容易凸现;  

    结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;  

    气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;  

    刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。  

    裂纹,需要背面侧照   

    而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。  

    综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。   

    光源、镜头的调试   

        线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。         

        由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。

     面阵相机和镜头选型

    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。 
    *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12m/min   = 200mm/s 。
     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 < 80 mm / (1600∗250 mm/s); 3. 曝光时间 < 0.00025s  ; 

    总结:故曝光时间要小于 0.00025s  ,图像才不会产生拖影

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  • 线阵相机与面阵相机的区别

    千次阅读 2020-08-31 09:36:41
    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...

    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。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。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。

      1:线阵相机,机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图象,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:一、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。

      2: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”形图象,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--一般相机的图象是 400K~1M,而合并后的图象有几个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。

     

    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3百万像素、2百万像素、百万像素、40万像素。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um*um表示。数值越小,分辨率越高.FOV(Field of View, 视场)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20um,则他的FOV=1K*20 × 1k*20=20mm ×20mm,如果用30um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20um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30um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20um的分辨率表现图像细节方面好过30um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1百万像素,另1个是3百万像素,清晰度相同(分辨率均为20um),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CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。线阵CCD 的优点是分辨力高,价格低廉,如TCD1501C型线阵CCD,光敏像元数目为5 000,像元尺寸为7 μm×7 μm×7 μm(相邻像元中心距)该线阵CCD一维成像长度35 mm,可满足大多数测量视场的要求,但要用线阵CCD获取二维图像,必须配以扫描运动,而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵CCD每一扫描行的坐标。一般看来,这两方面的要求导致用线阵CCD获取图像有以下不足:图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。

      即使如此,线阵CCD获取图像的方案在以下几方面仍有其特有的优势:线阵CCD加上扫描机构及位置反馈环节,其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的面阵CCD;扫描行的坐标由光栅提供,高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵CCD像元间距的制造精度,从这个意义上讲,线阵CCD获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵CCD图像;新近出现的线阵CCD 亚像元的拼接技术可将两个CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1/2个像元,相当于将第二片CCD的所有像元依次插入第一片CCD的像元间隙中,间接“减小”线阵CCD像元尺寸,提高了CCD的分辨率,缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小CCD像元尺寸的难题,在理论上可获得比面阵CCD更高的分辨率和精度。

    因此,线阵CCD加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛,尤其是在要求视场大,图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵CCD替代。但是,仅有高的分辨率还不能保证有高的图像识别精度,特别是线阵CCD获取的图像虽然分辨率高,但由于受扫描运动精度的影响,其图像较面阵CCD图像更具特殊性。因此,图像识别时不仅要充分利用分辨率高的优势,还必须从算法上克服扫描运动的影响,使机械传动的误差不致直接影响最终的图像识别精度。

     

    线阵CCD图像的特点

      由于CCD像元是有间隔的,不论面阵还是线阵CCD获取的图像外观虽然是致密的,但实质上都是离散图像,但面阵CCD像元在纵横两个方向间隔一致,其图像的离散度是一致的,而线阵CCD图像由于存在像元间距和扫描行距,像素点在两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距,一般来说扫描行距受机械传动部分的限制,远大于像元间距。

    线阵CCD获取二维图像,必须配以扫描运动,在此过程中,线阵CCD在电机驱动下水平前移,按照固定的时间间隔采集一行图像。从理论上讲,电机运动速度应该是匀速的;CCD采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间,也应该是相等的,因此行距应该是相等的,但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度的变化,特别是机械传部分的误差都会影响采集行距的一致性,同时,线阵CCD 自身光积分时间也会影响采集行距。

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  • 这里写目录标题线阵相机与面阵相机的基本区别1、类型区分2、应用对比3、优点对比:4、缺点对比:线阵相机与面阵相机的选型线阵摄像机(线阵工业相机)的选型 线阵相机与面阵相机的基本区别 工业相机按照传感器的结构...

    线阵相机与面阵相机的基本区别

    工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用途不同的情况下选择合适的传感器的结构工业相机,至关重要。

    1、类型区分

    • 面阵相机:
      实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中,表现图像细节不是由像素多少决定的,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。 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。
    • 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:一、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。二、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”形图象,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--一般相机的图象是 400K~1M,而合并后的图象有几个M这么大,速度自然就慢了。慢功出细活嘛。由于以上这两个原因,线阵相机只用在极特殊的情况下。

    2、应用对比

    • 面阵相机:
      应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。
    • 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。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。可以对其图象一行一行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图象进行处理。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。

    3、优点对比:

    • 面阵相机:
      可以获取二维图像信息,测量图像直观。
    • 线阵相机:
      一维像元数可以做得很多,而总像元素较面阵相机少,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。而且线阵分辨率高,价格低廉,可满足大多数测量现场要求。

    4、缺点对比:

    • 面阵相机:
      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,因此其应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。由于生产技术的制约,单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。
    • 线阵相机:
      要用线阵获取二维图像,必须配以扫描运动,而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。一般看来,这两方面的要求导致用线阵获取图像有以下不足:图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。

    线阵相机与面阵相机的选型

    首先了解一下线扫描系统,这个系统一般可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,图象采集卡和视觉软件;

    • 运动控制部分:包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC,为了保证采集的图象与输送带同步,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。

    线阵摄像机(线阵工业相机)的选型

    计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
    选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度
    每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数
    根据以上数值选定相机

    如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
    相机:1600/1=1600像素
    最少2000像素,选定为2k相机
    1600/2048=0.8实际精度
    22000mm/0.8mm=27.5KHz
    应选定相机为2048像素28kHz相机

    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,象素大小有5um,7um,10um,14um几种,这样芯片的大小从 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)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 22 mm 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(Flange distance),也就决定了镜头的工作距离不一样。

    • 1、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(Sensor size);芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV

    • 2、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。

    • 3、后背焦(Flange Distance)
      后背焦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。

    有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后,还有一个重要的环节,就是看MTF值是否足够好?很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求,边缘的对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。

    线扫描线阵光源的选型

    线扫描项目中,常用的光源有LED光源、卤素灯(光纤光源)、高频荧光灯。   
    
    • 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。

      • 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象的频率(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。

      • 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)  
        3,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。  
        4,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。

    线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析

    以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。

    结果发现:

    • 脏点,正面光源或背光都较容易凸现;
    • 结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;
    • 气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;
    • 刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。
    • 裂纹,需要背面侧照

    而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。  
    综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。   
    光源、镜头的调试

    线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。

    由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。

    面阵相机和镜头选型

    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 / (20.1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。
    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80mm60mm,200万像素 CCD 相机(16001200),相机或物体的运动速度为12m/min = 200mm/s 。
    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 < 80 mm / (1600∗250 mm/s);3. 曝光时间 < 0.00025s ;
    总结:故曝光时间要小于 0.00025s ,图像才不会产生拖影
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    【相机选型】

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    2021-11-22 16:48:40
    相机IO接线
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