工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心組成部分，其性能直接決定了整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)能力和精度水平。

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)特性的不同，工業(yè)相機(jī)主要分為線(xiàn)陣相機(jī)和面陣相機(jī)兩大類(lèi)別。

這兩種類(lèi)型的相機(jī)各有獨(dú)特的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，在實(shí)際項(xiàng)目中如何正確選擇和使用它們，成為機(jī)器視覺(jué)工程師必須掌握的專(zhuān)業(yè)技能。

本文將深入解析線(xiàn)陣相機(jī)與面陣相機(jī)的工作原理，對(duì)比分析它們的技術(shù)特點(diǎn)，并針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供專(zhuān)業(yè)的選型建議。

一、工業(yè)相機(jī)的基本工作原理

要理解線(xiàn)陣相機(jī)與面陣相機(jī)的區(qū)別，我們首先需要了解它們的基本工作原理。

從光學(xué)成像的角度來(lái)看，所有工業(yè)相機(jī)都通過(guò)鏡頭將目標(biāo)場(chǎng)景成像在傳感器上，傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理形成數(shù)字圖像。

然而，線(xiàn)陣相機(jī)和面陣相機(jī)在傳感器結(jié)構(gòu)和工作方式上存在著根本性的差異。

1.面陣相機(jī)

面陣相機(jī)采用的傳感器像素以矩陣形式排列在整個(gè)感光面上，可以一次性捕獲完整的二維圖像。

這種方式非常類(lèi)似于我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機(jī)或手機(jī)攝像頭，單次曝光就能獲取整個(gè)視野范圍內(nèi)的圖像信息。

面陣相機(jī)實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力不是由像素?cái)?shù)量單一決定的，而是由系統(tǒng)分辨率決定的，而分辨率又受到所選鏡頭焦距的直接影響。對(duì)于同一種相機(jī)，選用不同焦距的鏡頭，獲得的分辨率也會(huì)有所不同。

2.線(xiàn)陣相機(jī)

線(xiàn)陣相機(jī)則采用了完全不同的一種工作方式。它的傳感器只有一行感光元素，呈線(xiàn)狀，雖然也能獲得二維圖像，但其圖像長(zhǎng)度極長(zhǎng)，通常可達(dá)幾K的長(zhǎng)度，而寬度卻只有幾個(gè)像素的尺寸。

線(xiàn)陣相機(jī)需要通過(guò)與被檢測(cè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，逐行連續(xù)掃描，逐步構(gòu)建出二維圖像。當(dāng)需要極大的視野或極高的精度時(shí)，線(xiàn)陣相機(jī)會(huì)使用觸發(fā)裝置多次激發(fā)，進(jìn)行多次拍照，然后將所拍下的多幅條形圖像拼接合并成一張完整的圖像。

從成像過(guò)程來(lái)看，面陣相機(jī)的成像是一次完成的，而線(xiàn)陣相機(jī)的成像則是分時(shí)、分段完成的。這種根本性的差異決定了兩者在應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)構(gòu)成和技術(shù)要求上的不同。

二、線(xiàn)陣相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景

線(xiàn)陣相機(jī)作為一種特殊的視覺(jué)采集設(shè)備，在特定應(yīng)用場(chǎng)景下展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。線(xiàn)陣相機(jī)的傳感器只有一行感光元素，這種結(jié)構(gòu)使得它在高掃描頻率和高分辨率方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

線(xiàn)陣相機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研與安全領(lǐng)域的圖像處理。它的典型應(yīng)用場(chǎng)景是檢測(cè)連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。

在這些應(yīng)用中，被檢測(cè)的物體通常處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用一臺(tái)或多臺(tái)線(xiàn)陣相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描，可以達(dá)到對(duì)整個(gè)表面均勻檢測(cè)的目的。采集到的圖像可以逐行進(jìn)行處理，也可以將多行圖像組合成面陣圖像后進(jìn)行處理。

線(xiàn)陣相機(jī)非常適合精密測(cè)量場(chǎng)合，這主要?dú)w功于其傳感器的高分辨率特性。

相比于面陣相機(jī)，線(xiàn)陣相機(jī)的一維像元數(shù)可以做得非常多，而總像元素卻相對(duì)較少，且像元尺寸設(shè)計(jì)更為靈活，幀幅數(shù)也更高。

這些特點(diǎn)使得線(xiàn)陣相機(jī)特別適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的高精度測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，線(xiàn)陣相機(jī)系統(tǒng)通常需要配合精密的運(yùn)動(dòng)控制裝置。要用線(xiàn)陣相機(jī)獲取二維圖像，必須配以?huà)呙柽\(yùn)動(dòng)，而且為了確定圖像每一像素點(diǎn)在被測(cè)件上的對(duì)應(yīng)位置，還必須配備光柵等器件以記錄線(xiàn)陣每一掃描行的坐標(biāo)。

這些要求使得線(xiàn)陣相機(jī)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，圖像獲取時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量效率可能受到一定影響，系統(tǒng)的精度也可能受到掃描運(yùn)動(dòng)精度的影響。

盡管如此，線(xiàn)陣相機(jī)在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域仍然具有不可替代的地位。例如，在醫(yī)療行業(yè)檢測(cè)、光伏面板檢測(cè)、平板顯示檢測(cè)、PCB印刷檢測(cè)、金屬表面檢測(cè)、塑料檢測(cè)、紙和纖維檢測(cè)、半導(dǎo)體等弱光環(huán)境等行業(yè)，線(xiàn)陣相機(jī)都發(fā)揮著重要作用。

三、面陣相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景

面陣相機(jī)作為工業(yè)視覺(jué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的相機(jī)類(lèi)型，其優(yōu)勢(shì)在于能夠一次性獲取完整的二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀，使用方便。

面陣相機(jī)的像素以矩陣形式排列，可以同時(shí)捕捉圖像的所有部分，這種方式使得它在靜態(tài)或低速場(chǎng)景下表現(xiàn)出色。

面陣相機(jī)適合應(yīng)用于面積、形狀、尺寸、位置等測(cè)量。與線(xiàn)陣相機(jī)相比，面陣相機(jī)的應(yīng)用面更為廣泛，在工業(yè)檢測(cè)中的使用也更加普遍。

在技術(shù)指標(biāo)方面，面陣相機(jī)的重要參數(shù)包括曝光時(shí)間、像元尺寸、面陣大小、成像幀頻和讀出速率等。這些參數(shù)共同決定了面陣相機(jī)的實(shí)際性能和應(yīng)用范圍。

需要注意的是，面陣相機(jī)的像元總數(shù)較多，而每行的像元數(shù)一般較線(xiàn)陣少，幀幅率受到一定限制。由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣CCD的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量對(duì)視場(chǎng)的需求。

面陣相機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于3C制造、食藥品生產(chǎn)、快遞物流、印刷與紡織、汽車(chē)制造、新能源等行業(yè)，可以用于定位與測(cè)量、缺陷檢測(cè)等多種場(chǎng)景。

例如，在定位與測(cè)量應(yīng)用中，面陣相機(jī)可以高效地進(jìn)行模板匹配，快速準(zhǔn)確地查找?guī)缀误w的位置，并進(jìn)行精確的測(cè)量。在缺陷檢測(cè)中，面陣相機(jī)可以基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)檢測(cè)工件表面、形狀、輪廓的缺陷。

在選擇面陣相機(jī)時(shí)，需要綜合考慮分辨率、幀率、芯片類(lèi)型、像素尺寸等多個(gè)因素。相機(jī)的分辨率應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足檢測(cè)精度的要求，一般情況下，項(xiàng)目的精度在圖像中至少占1個(gè)像素，如果軟件處理能力較弱，可以選擇3個(gè)像素或以上以確保可靠性。

幀率的選擇則要根據(jù)被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)決定，不必盲目追求高速相機(jī)，而是要根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，確保在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)能夠有效捕捉到被測(cè)物即可。

四、工業(yè)相機(jī)的選型策略

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何正確選擇相機(jī)類(lèi)型并搭建完整的視覺(jué)系統(tǒng)，直接關(guān)系到項(xiàng)目的成敗。線(xiàn)陣相機(jī)和面陣相機(jī)各有其適用的場(chǎng)景，選型時(shí)需要基于具體的項(xiàng)目需求進(jìn)行綜合考量。

面陣相機(jī)的選型相對(duì)較為直接，一般遵循從相機(jī)到鏡頭再到光源的選型順序。

首先需要根據(jù)檢測(cè)需求確定相機(jī)的類(lèi)型，對(duì)于靜止檢測(cè)或者一般低速的檢測(cè)，優(yōu)先考慮面陣相機(jī)。

分辨率的選擇不必盲目追求高像素，而應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目檢測(cè)精度要求來(lái)確定，像素過(guò)高會(huì)導(dǎo)致幀率下降、圖像處理速度變慢。

幀率的選擇需要考慮物體的運(yùn)動(dòng)速度，確保在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)能有效捕捉到被測(cè)物。

在色彩方面，工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)一般推薦使用黑白相機(jī)，因?yàn)檐浖幚硗ǔ?huì)轉(zhuǎn)換為灰度數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行，而且工業(yè)上的彩色相機(jī)經(jīng)過(guò)Bayer算法轉(zhuǎn)換，與真實(shí)色彩存在一定差距。

線(xiàn)陣相機(jī)的選型過(guò)程則更為復(fù)雜，需要考慮的因素也更多。

一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)陣項(xiàng)目的選型順序是根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和速度要求，確定線(xiàn)陣CCD相機(jī)的分辨率和行掃描速度，同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的采集卡，然后選擇鏡頭接口時(shí)兼顧鏡頭的選型，最后確定光源的選型。

具體選型時(shí)，首先計(jì)算分辨率，用幅寬除以最小檢測(cè)精度得出每行需要的像素；然后根據(jù)幅寬除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度；最后用每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒掃描行數(shù)。

例如，當(dāng)幅寬為1600毫米，精度要求1毫米，運(yùn)動(dòng)速度22000mm/s時(shí)，相機(jī)分辨率至少需要2000像素，應(yīng)選定2k相機(jī)，行頻要求為27.5KHz。

工業(yè)線(xiàn)陣相機(jī)和面陣相機(jī)作為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的兩大核心采集設(shè)備，各自具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)和適用的應(yīng)用場(chǎng)景。面陣相機(jī)憑借其二維一次性成像特性，在靜態(tài)或低速檢測(cè)場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，使用簡(jiǎn)便，應(yīng)用范圍廣泛；

而線(xiàn)陣相機(jī)則以其高分辨率、高掃描頻率的特性，在連續(xù)材料檢測(cè)、高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景以及需要大視野、高精度的特殊應(yīng)用中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)際項(xiàng)目中選擇相機(jī)類(lèi)型時(shí)，工程師需要綜合考慮檢測(cè)對(duì)象的特性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、精度要求、速度要求以及系統(tǒng)成本等多方面因素，才能做出最合適的決策。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于靜止或者低速運(yùn)動(dòng)的物體，常規(guī)檢測(cè)需求，優(yōu)先考慮面陣相機(jī)；對(duì)于連續(xù)運(yùn)動(dòng)的材料，或者需要大視野、極高精度的檢測(cè)場(chǎng)景，則線(xiàn)陣相機(jī)可能是更合適的選擇。

工業(yè)相機(jī)的技術(shù)發(fā)展永遠(yuǎn)不會(huì)停步，未來(lái)我們有望看到更多創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，進(jìn)一步拓展機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用邊界，為工業(yè)自動(dòng)化提供更加強(qiáng)大、可靠的視覺(jué)感知能力。無(wú)論是線(xiàn)陣相機(jī)還是面陣相機(jī)，都將在未來(lái)的智能制造浪潮中扮演愈發(fā)重要的角色。