線掃相機(jī)——機(jī)器視覺中無限制物體的檢測

在機(jī)器視覺中，在檢測連續(xù)物體或者滾動物體時，線掃相機(jī)是最佳的解決方案。通常，它們能提供很高的分辨率，因?yàn)樗鼈円蠛芨叩乃俣群蛿?shù)據(jù)率。

一、多條窄帶拼成一副圖像

線掃相機(jī)只抓取一行作為圖像發(fā)送到電腦，主機(jī)電腦將所有的行進(jìn)行組織拼接。如果不停止抓取，幾乎可以創(chuàng)建一個無限大的圖像。在印刷行業(yè)、紡織、旋轉(zhuǎn)或者移動物體的檢測應(yīng)用時，線掃相機(jī)是最佳的解決方案。

二、詳解線掃相機(jī)

1.線掃相機(jī)的歷史

可以檢測黑白單線CCD芯片隨著傳真機(jī)第一次進(jìn)入市場。事實(shí)上，目前大部分文件掃描儀依然基于這個原理。這種情況下，條狀傳感器是位于物體下方的。隨著傳感器的微型化和分辨率的提高，傳感器已經(jīng)進(jìn)一步遠(yuǎn)離物體。今天，線掃相機(jī)被集成到傳統(tǒng)相機(jī)上，可以搭配標(biāo)準(zhǔn)的鏡頭進(jìn)行操作。

2.線掃相機(jī)的光學(xué)設(shè)計

(1)相機(jī)—物體關(guān)系

人眼或者標(biāo)準(zhǔn)的照相機(jī)在一個時刻獲取一幅圖像，對于靜止物體和運(yùn)動物體是沒有區(qū)別的。同一時刻，所有的圖像數(shù)據(jù)都會被收集。

線掃相機(jī)需要物體或者相機(jī)運(yùn)動，最后的圖像大小一方面取決于相機(jī)的分辨率，另一方面取決于主機(jī)拼接的線數(shù)。有兩種搭建線掃相機(jī)的方式：

相機(jī)靜止，物體運(yùn)動

相機(jī)運(yùn)動，物體靜止

相機(jī)和物體同時移動，在大多數(shù)場合下沒有意義。

線掃相機(jī)一次只取圖像的一行，隨著被檢測物體運(yùn)動，一行接一行地采集，因此用線掃相機(jī)采集的一個2D圖像的每一行都是在不同時間點(diǎn)采集的。這與面陣相機(jī)來或者人眼采集圖像在機(jī)器視覺軟件理解的意義上來說，是不一樣的。

(2)線掃鏡頭

從上到下文件掃描儀對比，線掃相機(jī)需要鏡頭，這與面陣相機(jī)是完全相同的。但是作為線掃相機(jī)，提供很高的分辨率（最高16K/線），相機(jī)需要擁有高質(zhì)量鏡頭與合適的MTF。

(3)線掃光源

與面陣相機(jī)最大的不同就是光源的搭建，為了獲取相同的行（物體運(yùn)動很快），你必須要照亮一條線，但由于速度很快（一般在us級別），因此線掃相機(jī)經(jīng)常需要很高亮度的光照（高達(dá)1000000lux）。

3.讀取和抓取

因?yàn)樾酒蛔ト∫恍?，相比大的面陣相機(jī)，讀取這些數(shù)據(jù)就很簡單了。不管是用CCD還是CMOS技術(shù)都沒有什么區(qū)別，當(dāng)分辨率高且運(yùn)動速度很快時，數(shù)據(jù)頻率也是很高的，你需要一個抓幀器（通常稱為采集卡）來讀取相機(jī)的數(shù)據(jù)到電腦。

(1)線掃需要脈沖

使用線掃相機(jī)的一個決定性的特點(diǎn)就是可以構(gòu)建很大（無限）的圖像。在高頻下，一些非常細(xì)窄的線被拼接到一條線上，為了解決這個問題，與運(yùn)動物體經(jīng)過的速度保持同步來抓取這些線很重要。大多數(shù)場合下，與傳送帶集成在一起的脈沖發(fā)生器（也就是我們說的編碼器）產(chǎn)生脈沖信號傳遞到相機(jī)。這樣，相機(jī)的線頻率就與物體的速度一致了。

4.多行線掃相機(jī)

除了上面談到的單線的線掃相機(jī)外，也有其他線數(shù)的相機(jī)：

(1)多行線掃相機(jī)

雙線或者更多線的相機(jī)有更高的同步要求，增加了物體可能的最大速度，在HDR模式下提高了圖像的動態(tài)范圍。

TDICCD線通過芯片顯著地拓寬了線掃相機(jī)的動態(tài)范圍。

(2)彩色線掃相機(jī)

像大面陣相機(jī)一樣，線掃相機(jī)可以搭配單色（Monochrome）或者彩色（Color）的芯片。RGB的過濾片作為Bayer 模板覆蓋在像素上，或者分布在線上。這些線分配了特定的顏色，通常在過濾片的下面。生成的原始圖像作為單色信息傳輸，然后在采集卡上轉(zhuǎn)換為彩色圖像。

另一種選擇，2條或3條線，每條線指定了顏色，被用于彩色線掃相機(jī)。這種配置的問題是作為同一個像素的顏色不得不考慮對象相關(guān)的時間差異。好處是，一種顏色的分辨率是芯片的全分辨率。

NEopt允許將雙線相機(jī)配置為只有兩個顏色，這種情況下，紅色和藍(lán)色兩種顏色構(gòu)成不如說是兩個相機(jī)。

NeOpt NCAM2-BRLD-08K07CL光譜靈敏度

5.線掃相機(jī)速率和分辨率

就像大面陣相機(jī)一樣，線掃相機(jī)的速率由接口決定，通常的接口如GigE 和CameraLink。速率可以通過線的水平分辨率（線的總像素個數(shù)）和每秒的線數(shù)計算出來，表達(dá)為行頻kHz/行/s。

例子：NCAM2-BLS，Camera Link接口：8K，70kHz

每秒采集70,000行，如果用在100km/h的傳輸帶和一米寬的物體上，可以推算出垂直方向的分辨率0.125mm/s，水平方向的分辨率0.514mm/s：

垂直方向：100km/h / 70,000 lines/s=27.78m/s / 70,000 lines/s=0.397mm

水平方向：1m/8000pix=0.125mm/pix

速度：70,000 lines/s x 8000 pixels=534 MB/s

審核編輯：郭婷