近幾年，隨著線陣相機(jī)的普及，更多的行業(yè)，在機(jī)器視覺應(yīng)用方案中，使用線陣相機(jī)。

線陣相機(jī)的優(yōu)勢(shì)很突出，困難也很突出 — 開發(fā)和部署，比面陣相機(jī)更復(fù)雜。

(資料圖片)

這篇文章，把線陣相機(jī)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，做了一個(gè)總的梳理和歸納，希望對(duì)使用線陣相機(jī)的您，有所助益。

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為什么會(huì)需要線陣相機(jī)？

客戶使用線陣相機(jī)的原因、場景很多，總結(jié)起來，基本是下面三個(gè)因素：

a.被拍攝物的特殊性

? 運(yùn)動(dòng)著的，無限長的被拍攝物，如布匹、鋼帶、薄膜材料、紙張

?傳送帶上大小，顏色、分布各異的產(chǎn)品：果蔬、礦石、金屬零件等

?圓柱形物體：易拉罐、滾筒裝置

b.對(duì)光的均勻性，要求很高

?線陣光源比面陣光源，更容易實(shí)現(xiàn)打光的均勻性

c.成本考量

? 1臺(tái)線陣相機(jī) vs 多臺(tái)面陣相機(jī)：成本更低，部署更方便。

?線陣相機(jī) vs 高分辨率面陣相機(jī)：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(jī)，成本很高，而用線陣相機(jī)，成本可以低很多。同時(shí)，屏幕的外形特點(diǎn)，也對(duì)線陣相機(jī)很友好：長寬均勻。線陣相機(jī)從上往下掃描一遍，可達(dá)到高分辨率面陣相機(jī)的成像效果。

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什么是線陣相機(jī)？

線陣相機(jī)，顧名思義，拍出的圖像，像一條線，故，稱之為線陣相機(jī)。

線陣相機(jī)和面陣相機(jī)的區(qū)別，從使用的芯片開始，就大不同：

面陣相機(jī)和線陣相機(jī)每次曝光拍照，成像對(duì)比：

面陣相機(jī)

線陣相機(jī)

上圖，每個(gè)方框，代表1個(gè)像素。

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線陣相機(jī)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(jī)里的CMOS傳感器的一行進(jìn)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(jī)怎么拍出一幅“面陣”圖像？

在電腦里看到的圖像：

?每一行圖像，是線陣相機(jī)拍1-16行，再進(jìn)行圖像處理后得來（不排除未來還會(huì)有超過16行的應(yīng)用）

?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(jī)的拍照方式不同點(diǎn)

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線陣相機(jī) vs 面陣相機(jī)，主要優(yōu)勢(shì)

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線陣相機(jī)的拍攝方向

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線陣相機(jī)的行頻與面陣相機(jī)的幀率

?幀率，是相機(jī)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Frame per Second

?行頻，其實(shí)是一種特殊的幀率：針對(duì)只有幾行像素的的CMOS，其拍照速度很快，能達(dá)到每秒幾萬張-幾十萬張，說出來很嚇人，但因?yàn)榕某鰜淼膱D，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(huì)想到波，周期。

如果把上圖藍(lán)色線條(線陣相機(jī)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(gè)波的頻率。

這也是“行頻” 這個(gè)詞的由來。

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線陣相機(jī)的行高

?理論上來說，線陣相機(jī)可以無限拍下去，通過拼接，我們能得到一幅無限長的圖像。

?無限長意味著無限大，這樣的圖像，這樣的數(shù)據(jù)量，沒有任何計(jì)算機(jī)能處理。

?所以，實(shí)際應(yīng)用中，都需要根據(jù)應(yīng)用需求，每拍了X行后，就截取一幅圖像。

?這個(gè)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(jī)的觸發(fā)方式：行觸發(fā)與幀觸發(fā)

行觸發(fā)

?線陣相機(jī)接收到行觸發(fā)信號(hào)后，就拍一行圖像。

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

幀觸發(fā)

?線陣相機(jī)接收到幀觸發(fā)信號(hào)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(jī)一直按設(shè)定行頻拍照，直到達(dá)到指定行高。

?幀觸發(fā)，比較適用于運(yùn)動(dòng)比較勻速的物體拍攝。

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理想行頻與運(yùn)動(dòng)速度、客戶要求精度

什么是理想行頻？

拍照速度，要與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度相匹配的行頻。每一個(gè)具體應(yīng)用，其理想行頻，都不相同。

?客戶要求精度。一般客戶說精度要達(dá)到0.xmm，表達(dá)的意思，是拍出來的圖像，要能分辨這個(gè)長或?qū)挒?.xmm的圖案。而要達(dá)到這個(gè)要求，一般就需要用2-5個(gè)像素，來表現(xiàn)、呈現(xiàn)這個(gè)0.xmm。這樣，圖像算法或人的大腦，看到這幅圖像時(shí)，就能比較容易的找到、識(shí)別出，檢測出這個(gè)0.xmm的圖案。

?像素精度。如下圖所示，像素精度，就是被拍攝目標(biāo)的一段長度，用多少個(gè)像素在該目標(biāo)上的投影，來代表和表達(dá)。一個(gè)像素，與物體距離的遠(yuǎn)近，決定了其能表達(dá)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(yuǎn)鏡)

?像素都是正方形，所以，也就決定了，X方向精度 = Y方向精度。

?理想行頻 = 運(yùn)動(dòng)速度/像素精度。例如，一個(gè)物體，運(yùn)動(dòng)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(gè)公式的另一層意思，是2000mm，可以劃分成多少個(gè)0.1mm）。

?分辨率；如果該物體寬1000mm，像素精度0.1mm，考慮到兩側(cè)冗余，則分辨率 = 1050/0.1=10500，即，這個(gè)精度下，需要10500個(gè)像素，才能對(duì)這么寬的物體進(jìn)行清晰的成像。

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實(shí)際行頻與運(yùn)動(dòng)速度、理想行頻的關(guān)系

像素精度確定的前提下，運(yùn)動(dòng)速度越快，理想行頻越高。

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線陣相機(jī)怎么拍攝彩色圖像？

彩色圖像，包括了R,G,B三個(gè)分量，因此，線陣相機(jī)要拍彩色圖像，也需要對(duì)三個(gè)分量進(jìn)行采集。

如下圖所示，是常見的線陣相機(jī)R、G、B分量采集模式：

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黑白線陣相機(jī)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(jī)，即可對(duì)目標(biāo)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(jī)呢？

這是因?yàn)椋?/p>

?一些應(yīng)用，難以安裝光源，光照充足這個(gè)條件不好滿足，于是用TDI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)弱光情況下的清晰成像（TDI技術(shù)本文后面會(huì)講到）。

?分時(shí)頻閃技術(shù)（本文后面會(huì)講到），需要用到多行線陣相機(jī)。

?長短曝光技術(shù)（本文后面會(huì)講到），需要用到多行線陣相機(jī)。

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黑白線陣相機(jī)的多線技術(shù)：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(shí)間的光照強(qiáng)度（光源、大鏡頭收集光）

方案2：增加CMOS感光時(shí)長（延長曝光時(shí)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(yuǎn)鏡的第一張正式星空照片，用12.5小時(shí)的曝光時(shí)間，獲得了比哈勃望遠(yuǎn)鏡10天曝光時(shí)間更清晰的成像。主要原因就是webb望遠(yuǎn)鏡收集光的能力更強(qiáng) — 鏡片更大。

下列限制，使得TDI有了用武之地。

a. 由于線陣相機(jī)的拍照頻率（行頻），要與運(yùn)動(dòng)速度保持匹配，所以，曝光時(shí)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(qiáng)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(zhì)：用不同行的芯片區(qū)域，對(duì)物體同一個(gè)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(jīng)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(jī)的多線技術(shù)：分時(shí)頻閃

分時(shí)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(shí)頻閃控制器在線陣相機(jī)每采集一行圖像時(shí)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(shù)很像？但HDR長短曝光，光源是恒定的；而分時(shí)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(duì)原始圖像進(jìn)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(shí)頻閃在光伏行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用案例

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線陣相機(jī)的多線技術(shù)：長短曝光HDR

什么是HDR：High Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍。HDR主要作用，就是讓一幅圖片里

?暗的地方（欠曝），變亮點(diǎn)

?亮的地方（過曝），變暗點(diǎn)

用大白話來形容HDR，就是：對(duì)被拍攝物不同區(qū)域的光照明暗，有更強(qiáng)的適應(yīng)性，讓各個(gè)區(qū)域都能清晰地成像。

HDR的實(shí)現(xiàn)方式有很多種，對(duì)于線陣相機(jī)，有一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，叫長短曝光

?奇數(shù)行：短曝光

?偶數(shù)行：長曝光

?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(gè)HDR圖像。

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

長短曝光HDR在光伏行業(yè)的應(yīng)用案例：

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線陣相機(jī)如何選型

線陣相機(jī)選型的基本步驟如下：

1.計(jì)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?cái)?shù)=像素精度

3.確定行頻：每秒運(yùn)動(dòng)速度/像素精度=理想行頻

4.根據(jù)分辨率與行頻，選定相機(jī)

計(jì)算實(shí)例：

* 如幅寬為1800毫米、客戶要求精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速度25000mm/s

* 相機(jī)：1800/1＝1800像素，最少2000像素，選定為2k相機(jī)。如想提高清晰度，則可用2-5個(gè)像素表達(dá)1mm，則在現(xiàn)有像素值上乘以2-5倍。

* 像素精度：1800/2048＝0.9

* 理想行頻：25000mm/0.9mm＝27.8KHz

* 選擇實(shí)際行頻大于27.8KHz的2K相機(jī)即可

編輯：黃飛