成像原理

20世纪70年代，一家德国的纺织工厂的工程师们发现传统的2D相机无法有效检测高速连续运动的织物缺陷。为解决这一问题，西门子的工程师们开发了一种早期的1D相机，用于实时检测连续运动的纺织面料。这一突破性技术的成功推动了线扫描相机在各个工业领域的广泛应用。

1D相机，也称线阵相机（Line Scan Cameras），通过逐行扫描的方式捕获图像。线阵相机采用线阵图像传感器，主要为CCD或CMOS类型。它由一排光电感应单元组成，每次只采集一行像素数据。当被拍摄物体在传送带上移动或相机本身移动时，连续的行数据逐渐形成完整的二维图像。这种成像方式适用于高速连续被测物的检测、如纸张，布料扫描等的应用场景。线阵相机分为单色和彩色两种，根据应用需求选择。

线阵相机案例分享

Chromasens allPIXA EVO

Chromasens Allpixa EVO是业界首款采用符合GigE Vision 2.0标准的单/双10 GigE光纤接口和四线CMOS颜色传感器的相机。支持远距离传输成像，可通过高达300米的多模光纤或10公里的单模光纤传输数据。配备先进的功能集，支持最具挑战性的彩色和单线扫描应用程序。

案例：电子铜带检测

需求：电子铜带宽度450mm，生产线速度120米/分，需要检测的最小缺陷是0.2mm。

选型：横向分辨率计算：450mm/0.2mm = 2250，取2个像素表示最小缺陷，即4500像素。考虑分辨率规律，选择5120像素的线扫相机。

纵向采样率（行频）计算：设置横向分辨率=纵向分辨率，即450/5120≈0.088mm/pixel，则行频为2000/0.088≈22727Hz，allPIXA evo 8k DXGE X可以满足需求。

Chromasens - allPIXA EVO

高速多用途线阵扫描相机

2D相机

2D相机，即面阵相机 (Area scan camera) ，是现代工业相机中最常见的一种。2D相机通过二维传感器阵列（如CMOS或CCD）一次性捕获整个图像。这些传感器由多个光敏像素组成，能够同时记录每个像素的光强度。当光线通过镜头进入相机时，它在传感器上形成图像，传感器将光信号转换为电信号，生成数字图像数据。图像信号处理器（ISP）对数据进行处理，包括去噪、白平衡、色彩校正等，最终输出可视化图像。2D相机广泛用于静态图像拍摄、视频录制以及工业检测等领域，因其能够提供完整的场景图像而具有较高的灵活性和实用性。

乔治·史密斯（George Smith）和威拉德·博伊尔（Willard Boyle）因发明CCD传感器而被公认为数码成像技术的先驱，也因此获得了2009年的诺贝尔物理学家奖。他们的发明奠定了现代2D相机的基础，并改变了整个影像行业。

按照传感器类型、快门类型、成像能力、特定功能给2D相机分类：

按传感器

CMOS：采用CMOS传感器，具有低功耗、高速读出、集成度高、成本较低等优点。

CCD：采用CCD传感器，具有高灵敏度、低噪声和更高的图像质量，但功耗较大且读出速度较慢。

按快门类型

全局快门：所有像素同时曝光，能够捕捉高速运动物体而不产生图像失真或运动模糊。

滚动快门：逐行扫描曝光，通常较为经济，适合于非高速运动的场景。

成像能力

彩色相机：配备拜耳滤色器，能够捕捉丰富的色彩信息，生成彩色图像。

单色相机（黑白）：不带滤色器，提供更高的灵敏度和分辨率，尤其适合低光环境和高对比度应用。

红外相机：能够感知不可见的红外光谱，用于夜视和热成像。

特定功能

微型相机：体积小巧，适用于空间受限的应用，通常配备微型传感器。

双目相机：配备两个镜头，能够实现深度感知、增强图像质量或提供不同的视角。

2D相机案例分享

Alvium系列相机提供了丰富的图像传感器选择，包括索尼等知名品牌的高性能传感器。针对不同需求提供了多种接口选择，以及丰富的镜头接口、外壳选项和广泛的感光度范围。小巧的方糖外形、通用SDK和驱动程序，使得Alvium系列相机可以轻松集成进任意视觉系统中。

案例：实时路面检测

需求：实时路面状况检测，视场要求：3x3m，并记录50mmx50mm 的坑洞及其GPS 位置，要求帧率为30fps。

选项：因为路面粗糙，建议每个像素代表1mm尺寸，所以50mmx50mm 的坑洞相当于50x50 像素，相机分辨率为3000x3000, 由于相机装在车上，故需要全局快门的相机，这样可以避免运动导致的变形，Alvium 1800 U-1242m 适用。

1D&2D相机的优势和应用场景

1D相机的优势：

高速性：1D相机可以在高速传送带上连续物体的拍摄，适用于快速连续移动的生产线。

经济性：1D相机结构相对简单，通常比2D和3D相机更具成本效益。

相对2D相机的绝对优势：1D相机能够实现高达32K的解析度，这是2D相机无法达到的。此外，在重构平面图像时，1D相机只需简单地将扫描线合并即可完成，而2D相机则需要进行复杂的拼接过程。

2D相机的优势

图像信息丰富：2D相机能捕捉平面上的所有图像信息，提供完整的图像数据，使得对场景的分析和处理更为直观和全面。

技术成熟：2D相机技术已经非常成熟，配套的软件和硬件生态系统也非常完备。这使得2D相机的应用和集成较为方便。

体积小巧：2D相机的体积通常较小，便于在空间有限的环境中使用。

相对于1D相机的绝对优势：2D相机的水平和垂直精度由先进的半导体制造工艺确保，精度可达纳米级。因此，2D相机非常适合用于高精度测量任务。相较之下，1D相机的垂直精度主要依赖机械编码器，难以实现纳米级别的精度。这在某些应用中可能限制其精度和适用性。

经典应用场景

印刷质量检测；检测印刷品表面的色彩和质量缺陷。

纺织品检测；检查布料的均匀性和缺陷。

食品包装检测；在食品生产线中检测包装的完整性和标签的正确性。

生产线产品检测；检测表面缺陷、尺寸偏差或其它质量问题。

2D相机

自动化生产线；用于检测产品的外观缺陷和尺寸测量。

智能交通系统；车牌识别和交通流量监控。

机器人视觉；机器人引导和定位。

半导体检测；在半导体生产线上进行晶圆检测。

总结

在一些复杂的工业应用中，1D和2D相机常常结合使用，以利用各自的优势实现最优的检测效果。例如，在纸张生产线上，1D相机用于高速检测纸张表面缺陷，而2D相机则用于纸张整体质量的监控。无论是1D相机还是2D相机，都是工业自动化中不可或缺的工具。在未来的发展中，随着人工智能和机器学习技术的进一步成熟，工业相机将继续在更多领域中发挥重要作用，并不断推动工业自动化的进步。

Allied Vision 和 Chromasens 都是专注于机器视觉领域的资深相机厂商。Allied Vision 提供2D和3D相机，而 Chromasens 主要提供1D相机。它们为无数企业提供了长期稳定、高效且可信赖的机器视觉解决方案。