线扫描相机:传感器技术弥合了棱镜式三芯片相机和单芯片相机之间的差距

彩色机器视觉技术有着极其多样的应用。这种先进的技术可以帮助新鲜食品生产商自动检测传送带上的腐烂货物，或者提醒银行官员注意欺诈货币。越来越多的自动化系统依赖颜色来触发它们的动作，而且这种颜色技术还在不断创新和进化。摄影行业已经到了这样一个阶段:最节省空间、最具成本效益的相机也在争夺最佳图像质量。
系统集成商更关心的是他们应该使用什么类型的相机，而不是什么时候为工业线扫描相机使用颜色。答案取决于相机的用途。
先进的技术正在改进线扫描相机。传统上，线扫描相机已经流行于网络检查，输送机，和任何系统，监测连续运动。工业集成商和设备制造商是这种线扫描相机的忠实用户，因此使用彩色相机。单传感器和3芯片相机都是可用的选择。
值得注意的是，单传感器相机可以采用单线RGB、两条相邻线(双线)或三条线。术语“多线性”是指通常有两条线或更多的芯片。通过改进的传感器技术，多线性相机缩小了单芯片和3芯片之间的性能差距。这些多线性相机不仅节省空间，而且价格合理。
三线性相机曾经有很多缺点，包括:线速率慢，识别能力有限，由于芯片上的线间距过大，无法观察不规则运动的物体。如今，这些问题已经很少成为问题，因为新一代多线相机在4000像素的情况下拥有高达18,000行/秒的行率，而且行间距离只有一到两条“盲”线。由于它们的线间数量小，它们克服了以前的大多数缺点。
这个新功能最好由一个真实的示例来表达。例如，当扫描一张钞票时，图像在不同的视野中被切片。多线相机在三种不同颜色的光谱中获得图像——红、绿、蓝——三条不同的线。另一方面，一个三芯片的相机，一次拍摄一行。在多线性系统中，连续获得红、绿、蓝三种颜色的成像线(因此在三个不同的时间)。场景中第一个和最后一个采集线之间的距离取决于传感器间线。今天，最先进的多线传感器只提供1或2条互连线。

想象一张8厘米宽的纸币，用4000像素拍摄。分辨率在20微米左右，适用于分析最薄的印刷品。扫描14厘米长的纸币的时间为0.39秒。纸币的速度为每秒0.36米，两条获取线之间的时间为55微秒。如果纸币在相机前的位置发生了变化，那么在第三次颜色采集时获得的线条与第一次采集时不同。对于边缘或特征检测，这将导致颜色伪影或模糊图像。

全钞票扫描，无触发同步产生伪影。来源:e2v

会产生颜色伪影的位置扰动与第一行和最后一行之间的距离成反比。如果位置发生了变化，将在一行上创建10%的颜色伪影:
•0间线:3.3% (10% × 1 / 3)
•1条联线:2.0% (10% X 1 / 5)
•2间线:1.4% (10% X 1 / 7)
•等等……

颜色神器生成在眼睛的边缘(紫色在左边边缘，绿色在右边边缘)。来源:e2v

许多相机具有10级的内线，因此允许错误率低于0.5%。建议用户协调线扫描相机与输送机同步，以产生不失真的图像。虽然这限制了与速度变化相关的伪影，但它不能解决由拆卸产生的伪影(物体的振动或旋转)，这是观察输送机上滚动物体(如豆类、土豆、药丸、保险丝等)时的一个永久问题。
以前，解决这个问题的唯一方法是选择棱镜相机，它比多线相机更能忍受干扰。最新的多线性传感器/摄像机通过1或2条线的间隔改变了这种情况，因此它们可以处理比以前多5倍的干扰。
最重要的是，多线方法现在扩大了摄像机监控的频谱。事实上，用一个棱镜组装超过3个芯片(以及所需的电路)是非常困难的。这就是为什么现成的产品都是3芯片相机的原因。棱镜相机只能捕捉三种颜色通道，而多线相机可以通过添加新的线条来捕捉更多颜色通道，比如近红外或宽带黑白。

红外线成像的钞票具有“透视”特征，如水印和金属带。来源:e2v

为了获得更多的颜色通道，流行的做法是降低蓝色和红色的锐度。通过将拜耳方法与多传感器或多线方法相结合，传感器制造商可以从有限数量的敏感线中获得更多的通道。最先进的多线相机提供多光谱信息，而不影响清晰度。它们可以提供4行而不是3行，这为系统集成商提供了一个外卡，无论他们是想要亮度参考还是近红外信息。
说了这么多，在线性相机技术中你应该选择什么过程呢?
•光谱的哪一部分需要成像和注册?
•需要哪些分辨率?
•哪种光学元件和支架是最合适的?
•哪种线路速度最好?
•哪种信噪比能满足应用需求?
•什么系统特性是最重要的(例如，防开花，输出协议，帧抓取器)?
然后，考虑可以改变图像清晰度的干扰问题:
•物体的振动
•物体的旋转
•物体的速度控制
•物体的灯光控制
由于图像清晰度是至关重要的，所有这些干扰源的添加应该低于每条线抓取的百分之几，而新上市的多线相机应该能很好地完成这项工作。在极端情况下，需要投资多传感器相机来提高整体图像质量。花点时间评估不同的可用技术;这将确保你选择正确的相机来满足你的特定需求-最终让你的钱“额外的优势”。
目前的多线相机能够满足服务颜色检测系统的挑战。市场上的新型传感器具有非常有趣的特性，包括高速和少量的互连线。随着我们进入多光谱分析的新范式，这些新型传感器将在为系统集成商和设备制造商带来低成本解决方案方面发挥重要作用。

——pierre Cambou，成像产品工程师e2v

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- - - - - -编辑C.G.马西，资深编辑
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