線陣相機與面陣相機的區別


線陣相機

  主要應用於工業、醫療、科研與安全領域的圖象處理。 在機器視覺領域中,線陣相機是一類特殊的視覺機器。與面陣相機相比,它的傳感器只有一行感光元素,因此使高掃描頻率和高分辨率成為可能。線陣相機的典型應用領域是檢測連續的材料,例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動 , 利用一台或多台相機對其逐行連續掃描 , 以達到對其整個表面均勻檢測。可以對其圖象一行一行進行處理 , 或者對由多行組成的面陣圖象進行處理。另外線陣相機非常適合測量場合,這要歸功於傳感器的高分辨率 , 它可以准確測量到微米。

  1:線陣相機,機顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖象,但極長,幾K的長度,而寬度卻只有幾個象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機:一、被測視野為細長的帶狀,多用於滾筒上檢測的問題。二、需要極大的視野或極高的精度。

  2:在第二種情況下(需要極大的視野或極高的精度),就需要用激發裝置多次激發相機,進行多次拍照,再將所拍下的多幅“條”形圖象,合並成一張巨大的圖。因此,用線陣型相機,必須用可以支持線陣型相機的采集卡。 線陣型相機價格貴,而且在大的視野或高的精度檢測情況下,其檢測速度也慢--一般相機的圖象是 400K~1M,而合並后的圖象有幾個M這么大,速度自然就慢了。

  由於以上這兩個原因,線陣相機只用在極特殊的情況下。

 

面陣相機

  相機像素是指這個相機總共有多少個感光晶片,通常用萬個為單位表示,以矩陣排列,例如3百萬像素、2百萬像素、百萬像素、40萬像素。百萬像素相機的像素矩陣為W*H=1000*1000.

  相機分辨率,指一個像素表示實際物體的大小,用um*um表示。數值越小,分辨率越高.FOV(Field of View, 視場)是指相機實際拍攝的面積,以毫米×毫米表示。FOV是由像素多少和分辨率決定的。相同的相機,分辨率越大,它的FOV就越小。例如1K*1K的相機,分辨率為20um,則他的FOV=1K*20 × 1k*20=20mm ×20mm,如果用30um的分辨率,他的FOV=1K*30×1k*30=30mm×30mm。在圖像中,表現圖像細節不是由像素多少決定的,而是由分辨率決定的。分辨率是由選擇的鏡頭焦距決定的,同一種相機,選用不同焦距的鏡頭,分辨率就不同。如果采用20um分辨率,對於1mm*0.5mm的零件,它總共占用像素1/0.02 ×0.5/0.02=50×25個像素,如果采用30um的分辨率,表示同一個元件,則有1/0.03×0.5/0.03=33×17個像素,顯然20um的分辨率表現圖像細節方面好過30um的分辨率。

 

  既然像素的多少不決定圖像的分辨率(清晰度),那么大像素相機有何好處呢?答案只有一個:減少拍攝次數,提高測試速度。

1個是1百萬像素,另1個是3百萬像素,清晰度相同(分辨率均為20um),第1個相機的FOV是20mm×20mm=400平方mm,第二個相機的FOV是1200平方mm,拍攝同一個PCB,假設第1個相機要拍攝30個圖像,第2個相機則只需拍攝10個圖像就可以了。

對於面陣CCD來說,應用面較廣,如面積、形狀、尺寸、位置,甚至溫度等的測量。面陣CCD的優點是可以獲取二維圖像信息,測量圖像直觀。缺點是像元總數多,而每行的像元數             一般較線陣少,幀幅率受到限制,而線陣CCD的優點是一維像元數可以做得很多,而總像元數角較面陣CCD相機少,而且像元尺寸比較靈活,幀幅數高,特別適用於一維動態目標的測量。以線陣CCD在線測量線徑為例,就在不少論文中有所介紹,但在涉及到圖像處理時都是基於理想的條件下,而從實際工程應用的角度來講,線陣CCD圖像處理算法還是相當復雜的。

  由於生產技術的制約,單個面陣CCD的面積很難達到一般工業測量對視場的需求。線陣CCD 的優點是分辨力高,價格低廉,如TCD1501C型線陣CCD,光敏像元數目為5 000,像元尺寸為7 μm×7 μm×7 μm(相鄰像元中心距)該線陣CCD一維成像長度35 mm,可滿足大多數測量視場的要求,但要用線陣CCD獲取二維圖像,必須配以掃描運動,而且為了能確定圖像每一像素點在被測件上的對應位置,還必須配以光柵等器件以記錄線陣CCD每一掃描行的坐標。一般看來,這兩方面的要求導致用線陣CCD獲取圖像有以下不足:圖像獲取時間長,測量效率低;由於掃描運動及相應的位置反饋環節的存在,增加了系統復雜性和成本;圖像精度可能受掃描運動精度的影響而降低,最終影響測量精度。

  即使如此,線陣CCD獲取圖像的方案在以下幾方面仍有其特有的優勢:線陣CCD加上掃描機構及位置反饋環節,其成本仍然大大低於同等面積、同等分辨率的面陣CCD;掃描行的坐標由光柵提供,高精度的光柵尺的示值精度可高於面陣CCD像元間距的制造精度,從這個意義上講,線陣CCD獲取的圖像在掃描方向上的精度可高於面陣CCD圖像;新近出現的線陣CCD 亞像元的拼接技術可將兩個CCD芯片的像元在線陣的排列長度方向上用光學的方法使之相互錯位1/2個像元,相當於將第二片CCD的所有像元依次插入第一片CCD的像元間隙中,間接“減小”線陣CCD像元尺寸,提高了CCD的分辨率,緩解了由於受工藝和材料影響而很難減小CCD像元尺寸的難題,在理論上可獲得比面陣CCD更高的分辨率和精度。

因此,線陣CCD加掃描運動獲取圖像的方案目前仍使用廣泛,尤其是在要求視場大,圖像分辨率高的情況下甚至不能用面陣CCD替代。但是,僅有高的分辨率還不能保證有高的圖像識別精度,特別是線陣CCD獲取的圖像雖然分辨率高,但由於受掃描運動精度的影響,其圖像較面陣CCD圖像更具特殊性。因此,圖像識別時不僅要充分利用分辨率高的優勢,還必須從算法上克服掃描運動的影響,使機械傳動的誤差不致直接影響最終的圖像識別精度。

 

線陣CCD圖像的特點

  由於CCD像元是有間隔的,不論面陣還是線陣CCD獲取的圖像外觀雖然是致密的,但實質上都是離散圖像,但面陣CCD像元在縱橫兩個方向間隔一致,其圖像的離散度是一致的,而線陣CCD圖像由於存在像元間距和掃描行距,像素點在兩個坐標方向上的距離分別是像元間距和掃描行距,一般來說掃描行距受機械傳動部分的限制,遠大於像元間距。

線陣CCD獲取二維圖像,必須配以掃描運動,在此過程中,線陣CCD在電機驅動下水平前移,按照固定的時間間隔采集一行圖像。從理論上講,電機運動速度應該是勻速的;CCD采集圖像的時間間隔主要取決於光積分時間,也應該是相等的,因此行距應該是相等的,但由於電機運動產生的振動、啟停過程中速度的變化,特別是機械傳部分的誤差都會影響采集行距的一致性,同時,線陣CCD 自身光積分時間也會影響采集行距。


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