线阵相机：原理，技术及应用

客户使用线阵相机的原因、场景很多，总结起来，基本是下面三个因素：

a.被拍摄物的特殊性

• 运动着的，无限长的被拍摄物，如布匹、钢带、薄膜材料、纸张

• 传送带上大小，颜色、分布各异的产品：果蔬、矿石、金属零件等

• 圆柱形物体：易拉罐、滚筒装置

b.对光的均匀性，要求很高

• 线阵光源比面阵光源，更容易实现打光的均匀性

c.成本考量

• 1台线阵相机 vs 多台面阵相机：成本更低，部署更方便。

• 线阵相机 vs 高分辨率面阵相机：成本更低。例如，高分辨率平板检测行业，使用高分辨率面阵相机，成本很高，而用线阵相机，成本可以低很多。同时，屏幕的外形特点，也对线阵相机很友好：长宽均匀。线阵相机从上往下扫描一遍，可达到高分辨率面阵相机的成像效果。

线阵相机，顾名思义，拍出的图像，像一条线，故，称之为线阵相机。

线阵相机和面阵相机的区别，从使用的芯片开始，就大不同：

上图，每个方框，代表1个像素。

在电脑里看到的图像：

• 每一行图像，是线阵相机拍1-16行，再进行图像处理后得来（不排除未来还会有超过16行的应用）

• 每一幅图像，是每一行图像拼接而来

• 帧率，是相机的拍照速度，通常用每秒拍的图像张数来定义。它的单位是FPS，即Frame per Second

• 行频，其实是一种特殊的帧率：针对只有几行像素的的CMOS，其拍照速度很快，能达到每秒几万张-几十万张，说出来很吓人，但因为拍出来的图，近似一条线，不能直接用，为避免误解，就不把它叫帧率，而叫行频。

• 理论上来说，线阵相机可以无限拍下去，通过拼接，我们能得到一幅无限长的图像。

• 无限长意味着无限大，这样的图像，这样的数据量，没有任何计算机能处理。

• 所以，实际应用中，都需要根据应用需求，每拍了X行后，就截取一幅图像。

• 这个X行，就是行高，就是这幅图像有多少像素“高”

行触发

• 线阵相机接收到行触发信号后，就拍一行图像。

• 行触发适用于运动速度不那么均匀，或需要用到一些特殊成像技术的场景，例如：长短曝光HDR，分时频闪等，这些都需要用到行触发。

帧触发

• 线阵相机接收到帧触发信号后，就拍一帧图像。这里的一帧图像，可自定义行高。帧触发后，线阵相机一直按设定行频拍照，直到达到指定行高。

• 帧触发，比较适用于运动比较匀速的物体拍摄。

什么是理想行频？

• 客户要求精度。一般客户说精度要达到0.xmm，表达的意思，是拍出来的图像，要能分辨这个长或宽为0.xmm的图案。而要达到这个要求，一般就需要用2-5个像素，来表现、呈现这个0.xmm。这样，图像算法或人的大脑，看到这幅图像时，就能比较容易的找到、识别出，检测出这个0.xmm的图案。

• 像素精度。如下图所示，像素精度，就是被拍摄目标的一段长度，用多少个像素在该目标上的投影，来代表和表达。一个像素，与物体距离的远近，决定了其能表达的长度（精度）：可以是0.1mm，也可以是几米，甚至几光年(韦伯望远镜)

• 像素都是正方形，所以，也就决定了，X方向精度 = Y方向精度。

• 理想行频 = 运动速度/像素精度。例如，一个物体，运动速度2000mm/s，像素精度0.1mm，则理想行频 = 2000mm/s / 0.1mm = 20000/s，即20k（这个公式的另一层意思，是2000mm，可以划分成多少个0.1mm）。

• 分辨率；如果该物体宽1000mm，像素精度0.1mm，考虑到两侧冗余，则分辨率 = 1050/0.1=10500，即，这个精度下，需要10500个像素，才能对这么宽的物体进行清晰的成像。

这是因为：

• 一些应用，难以安装光源，光照充足这个条件不好满足，于是用TDI技术来实现弱光情况下的清晰成像（TDI技术本文后面会讲到）。

• 分时频闪技术（本文后面会讲到），需要用到多行线阵相机。

• 长短曝光技术（本文后面会讲到），需要用到多行线阵相机。

方案1：增加单位时间的光照强度（光源、大镜头收集光）

方案2：增加CMOS感光时长（延长曝光时间）

方案3：增加CMOS的感光面积（大靶面大像元）

下列限制，使得TDI有了用武之地。

a. 由于线阵相机的拍照频率（行频），要与运动速度保持匹配，所以，曝光时间不能随意增加，方案2不能用。

b. 而某些场景下，又无法增强光照（狭小空间），方案1不能用。

c. 用大靶面CMOS芯片，成本太高，或体积太大，无法在现场安装，方案3不能用。

• 暗的地方（欠曝），变亮点

• 亮的地方（过曝），变暗点

HDR的实现方式有很多种，对于线阵相机，有一种实现技术，叫长短曝光

• 奇数行：短曝光

• 偶数行：长曝光

• 最终获得2幅图像，用算法，将2幅图像合并为一幅，就得到一个HDR图像。

是奇数行短曝光还是偶数行短曝光，这个无所谓。重点是隔行长、短曝光就行。

线阵相机选型的基本步骤如下：

1.计算分辨率：幅宽/最小检测精度=每行需要的像素（图A：幅宽>>被拍摄物；图B：幅宽>被拍摄物；图C：幅宽≈被拍摄物 ）

2.确定像素精度：幅宽/像素数=像素精度

3.确定行频：每秒运动速度/像素精度=理想行频

4.根据分辨率与行频，选定相机

计算实例：

* 如幅宽为1800毫米、客户要求精度1毫米、运动速度25000mm/s

* 相机：1800/1＝1800像素，最少2000像素，选定为2k相机。如想提高清晰度，则可用2-5个像素表达1mm，则在现有像素值上乘以2-5倍。

* 像素精度：1800/2048＝0.9

* 理想行频：25000mm/0.9mm＝27.8KHz

* 选择实际行频大于27.8KHz的2K相机即可

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