線性掃描相機(jī)是數(shù)碼相機(jī)的一種。這種相機(jī)一般在各種機(jī)器中作為組成部分發(fā)揮作用，一般來說不容易在實(shí)際生活中獨(dú)立見到。這個(gè)制作能幫助你DIY并且進(jìn)一步了解線性掃描相機(jī)。
線性CCD傳感器（Charge-coupled Device line sensor，線性電荷耦合傳感器）是線性掃描相機(jī)中最為重要的部分。我十多年前就在電子城中買下了它。但是想要制作一臺(tái)小體積的便攜線性掃描相機(jī)有些困難，電路部分需要高性能的微處理器和大容量存儲(chǔ)器，在當(dāng)時(shí)一般的個(gè)人制作對(duì)這些昂貴的高級(jí)貨只能敬而遠(yuǎn)之。于是它被我扔到一個(gè)破爛盒子里，連我自己都幾乎忘記了。
十年的時(shí)間之后，拜飛速發(fā)展的半導(dǎo)體工業(yè)所賜，芯片們的價(jià)格終于降到了可以接受的地步。現(xiàn)在即使是入門的新手也能隨意享受到32位的微處理器和海量的存儲(chǔ)卡，所以我依靠最新的技術(shù)重新開始了這個(gè)項(xiàng)目！
圖 自己動(dòng)手做數(shù)碼相機(jī)
圖 自己動(dòng)手做數(shù)碼相機(jī)
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1、線性掃描相機(jī)
1.1、相機(jī)原理
圖 普通平面相機(jī)和線性相機(jī)的比較
線性掃描相機(jī)是數(shù)碼相機(jī)的一種，它使用線性CCD傳感器（一維CCD器件）作為圖像傳感器。普通的數(shù)碼相機(jī)用一個(gè)平面CCD器件（二維CCD器件）捕捉焦平面上的圖像，獲取的圖案是一個(gè)二維的平面。而對(duì)線性掃描相機(jī)來說，它所獲取的圖案是一條一維的線！
即使每次獲得的圖像只有一條線，線性掃描相機(jī)還是有能力獲得完整的圖像。在制作一臺(tái)線性掃描相機(jī)時(shí)，需要不斷移動(dòng)相機(jī)或者被攝物——這樣每次獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)在內(nèi)存里，并最終像織布一樣一條線一條線地拼湊成完整的圖像。
在過去的膠片時(shí)代有一種狹縫相機(jī)。它和這里說的線性掃描相機(jī)類似，通過一條窄縫（一維的窗口）成像，拼合一維圖像獲取完整的二維圖像。
1.2、功能應(yīng)用
線性掃描相機(jī)具有下面這些功能：
－ 高分辨率。即使便宜的傳感器也能做到10000點(diǎn)以上的分辨率。
?。?簡單緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。不需要掃描桌。
－ 對(duì)物體的尺寸和長度沒有限制，對(duì)很長的物體也能正確成像。
由于這些功能，線性掃描相機(jī)在很多地方得到了廣泛應(yīng)用，你可以在許多重要的設(shè)備上發(fā)現(xiàn)它們。比如：
?。?復(fù)印機(jī)
－ 圖像掃描儀
?。?傳真機(jī)
?。?機(jī)器視覺（檢查長形物體）
－ 衛(wèi)星（比如拍下google地圖的那些）
?。?終點(diǎn)攝影（體育比賽）
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2、硬件構(gòu)成
2.1、功能模塊
圖 線性掃描相機(jī)的各個(gè)功能模塊
上圖展示了構(gòu)成線性掃描相機(jī)的各個(gè)功能模塊。線性CCD傳感器將收集的光感信息傳遞到AD（模擬-數(shù)字）轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，然后以數(shù)字信號(hào)形式輸入控制器。這些數(shù)據(jù)可以顯示在顯示屏上，或者傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器里。掃描的頻率在500線每秒到2000線每秒之間可調(diào)，視CCD器件的種類而定。
電路部分被分成三大部分，每塊之間通過柔性印刷電路排線相連。我經(jīng)常不使用定制的PCB因?yàn)樗鼈兲F而且沒有DIY精神，設(shè)計(jì)麻煩，之后有改動(dòng)也麻煩。這種一次性的制作在洞洞板上相機(jī)行事最好了。
這是何等的飛線功力……
2.2、光路和外殼
圖 光路和外殼
上圖展示了如何為這個(gè)線性掃描相機(jī)制作外殼。這是從一個(gè)高知電子（Takachi electric industrial）的SW-85B塑料盒改造而來的外殼，這個(gè)項(xiàng)目的光路需要控制的非常精確，所以設(shè)計(jì)，加工，裝配的時(shí)候都需要特別注意。這里有 外殼的圖紙 。帶有線性傳感器的模擬部分電路板安裝在可動(dòng)的螺釘上，這樣就能隨意調(diào)整距離。
這次使用的透鏡是C-mount接環(huán)的，它是工業(yè)攝像頭中使用的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭之一，但是不那么好弄到。我用了一個(gè)C-CS的轉(zhuǎn)接環(huán)來將鏡頭裝到殼體上。一個(gè)UNC（英制統(tǒng)一螺紋粗牙系列）螺母粘在盒子的底面上用來固定攝像頭。盒內(nèi)涂了一層導(dǎo)電涂料做電磁屏蔽。
2.3、模擬電路部分
圖 模擬電路
上圖是這個(gè)制作中的模擬電路部分，它包含線性掃描相機(jī)中最為重要的器件。上面安裝了一個(gè)CCD線性傳感器和模擬電路。CCD線性傳感器是一枚東芝的TCD132D單色CCD，它對(duì)紅外光也敏感，所以為了獲得與人眼感覺相近的圖像需要一個(gè)紅外濾鏡（IRCF）。CCD線性傳感器需要一個(gè)來自主控電路板的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。傳感器的模擬圖像信號(hào)輸出先經(jīng)過一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎ˋD8830），再由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC1173）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。ADC1173的8位數(shù)字信號(hào)輸出送入主控電路板。像素采集率從0.5MHZ到2MHZ可變，但是模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須在工作在至少兩倍采樣率的時(shí)鐘頻率下。每兩次采樣之后，向主控電路板輸出一次數(shù)字信號(hào)。
圖 模擬電路部分的電路圖
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2.4、主控電路部分
圖 主控電路部分
主控電路板包括一個(gè)微處理器（MCU），一個(gè)可編程邏輯器件（PLD）和電源部分。微處理器的芯片是一個(gè)NXP的LPC2368，它集成了一個(gè)在72MHZ下工作的ARM7TDMI核心，512K字節(jié)內(nèi)存，32K+16K+8K字節(jié)的SRAM，還有給力的外圍設(shè)備。它可以通過一個(gè)集成的SD卡控制器在4位原生模式下控制外置的MicroSD存儲(chǔ)卡。LPC系列的ARM微處理器廣泛用在現(xiàn)在的電子制作中，因?yàn)樗氖袌?chǎng)政策很對(duì)路，物美價(jià)廉。
一個(gè)可編程邏輯器件（LC4256V）被用來驅(qū)動(dòng)CCD線性傳感器。PLD里配置了一個(gè)用來給傳感器提供時(shí)鐘的時(shí)鐘產(chǎn)生器和一個(gè)先入先出隊(duì)列。電源供應(yīng)部分提供了數(shù)字電源（3.3V）。和模擬部分的電源（12V）。
圖 主控電路部分電路圖
2.5、顯示電路部分
圖 顯示電路部分
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顯示部分電路安裝在盒子的背面，它提供了相機(jī)的操作界面。上面的器件包括一個(gè)OLED顯示屏，開關(guān)。五向鍵和一個(gè)MicroSD插槽。打開盒蓋就能安裝或者移除SD卡。
圖 顯示電路部分的電路圖
圖 內(nèi)視圖、 底視圖
圖 鏡頭接口視圖
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3、軟件構(gòu)成
3.1、數(shù)據(jù)處理
AD轉(zhuǎn)換器的像素采集率可以高達(dá)2.1M像素每秒。首先，圖像數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在微處理器的緩沖存儲(chǔ)器里。因?yàn)槊棵?.1M的數(shù)據(jù)量對(duì)軟件來說實(shí)在太過分，圖像數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到PLD的先進(jìn)先出隊(duì)列里。隊(duì)列半滿時(shí)觸發(fā)微處理器的DRDT中斷，然后微處理器一次接受一半隊(duì)列的數(shù)據(jù)。隊(duì)列的大小是16字節(jié)，也就是說軟件的操作周期只要有像素采集率的1/8就足夠。這對(duì)觸發(fā)中斷來說不算太快，但是仍然需要微處理器高速運(yùn)行。這個(gè)項(xiàng)目里用了ARM7TDMI核心的快速中斷請(qǐng)求功能（FIQ，fast interrpt request，通過編組寄存器產(chǎn)生低延遲中斷），可惜在Cortex-M3核心中這一功能被去掉了。
當(dāng)微處理器響應(yīng)FIQ請(qǐng)求時(shí)，一些寄存器切換到FIQ的編組寄存器狀態(tài)，然后FIQ例程可以直接進(jìn)入/離開而省去了切換過程。為了最大化執(zhí)行效率，一般來說FIQ例程是用匯編語言寫的。在啟用這一功能的 數(shù)據(jù)波形圖 里，可以觀察到8位的數(shù)據(jù)在不用存儲(chǔ)的時(shí)候只需要0.8微秒處理，加上DMA模式下從總線寫入SD卡也只用了2微秒，這樣的延遲可以接受。
在每一行數(shù)據(jù)中有1094個(gè)像素，但其中有效的只有1024個(gè)。這些數(shù)據(jù)被存入內(nèi)存，中斷信號(hào)SYNC#在每一行數(shù)據(jù)的開始輸出，用來同步第一個(gè)像素的數(shù)據(jù)。
3.2、重建圖像
捕捉到的數(shù)據(jù)可以用通用的8位灰度BMP位圖格式存儲(chǔ)在MicroSD卡里，寬1024像素，長視拍攝時(shí)間而定。存儲(chǔ)的格式是DCIMLCAMYnnnn.BMP（nnnn 是編號(hào)），和普通的數(shù)碼相機(jī)幾乎一樣。
在使用廉價(jià)的微處理器將圖像數(shù)據(jù)存入SD卡時(shí)會(huì)遇到一些困難，主要是輸入的數(shù)據(jù)要在極短的時(shí)間內(nèi)存進(jìn)文件。這個(gè)制作中的最大數(shù)據(jù)傳輸率是2MB每秒。幸運(yùn)的是LPC2368有一個(gè)MCI（SD/MMC卡的原生控制模式），它能提供8MB/s的數(shù)據(jù)讀取和6MB/s的數(shù)據(jù)寫入能力。但是這是指讀寫大文件時(shí)的平均速度，事實(shí)上每次讀寫之間都需要一些死時(shí)間用在SD卡的內(nèi)部處理和文件系統(tǒng)上，為了避免這些浪費(fèi)，一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器被用來在死時(shí)間中暫存數(shù)據(jù)，但是微處理器系統(tǒng)的內(nèi)存大小是有限的，不一定有足夠的空間進(jìn)行緩沖。
讓我們估計(jì)一下每次寫數(shù)據(jù)操作所能容許的時(shí)間耗費(fèi)。在這個(gè)制作里，所有32K的SRAM都用來做數(shù)據(jù)緩沖器，而程序在16K的ethernet RAM上運(yùn)行。數(shù)據(jù)緩沖器分成兩半，其中一塊填充數(shù)據(jù)的時(shí)候另一塊將數(shù)據(jù)寫入閃存。 這要求在每8毫秒里寫入16KB的數(shù)據(jù)，每次操作必須在下次操作之前完成 。接下來的軟件技巧可以解決這個(gè)問題。
數(shù)據(jù)寫入過程中最重要的延遲發(fā)生在集群分配時(shí)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里這是個(gè)很大的問題，集群分配導(dǎo)致的死時(shí)間視情況不同可能高達(dá)數(shù)秒鐘。這個(gè)制作里使用集群預(yù)分配（寫入數(shù)據(jù)時(shí)用f-lseek函數(shù)申請(qǐng)一個(gè)比目前需要大很多的空間）來避免寫入數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入分區(qū)表重新定位。每次寫入操作都包含一個(gè)用來結(jié)束操作的集群邊界條件。想象一下SD卡里的文件預(yù)先整理出一塊整齊的空間給數(shù)據(jù)，這就避免了寫入數(shù)據(jù)過程中大量導(dǎo)致延遲的未知問題。
盡管有這些用來盡可能減小死時(shí)間的方法，SD卡或多或少還有一些內(nèi)部處理時(shí)間。在挑選SD卡的時(shí)候需要挑寫入速度盡可能快的SD卡。我在許多牌子之間做過比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)東芝產(chǎn)SD卡有最小的寫入延遲，也有最穩(wěn)定的表現(xiàn)。
3.3、顯示圖像
圖 顯示圖像
由于獲得的圖像數(shù)據(jù)都是一維的線條，它不能像傳統(tǒng)平面成像的二維圖像一樣顯示。為了這個(gè)問題需要一些特別的顯示模式。
其中一種是范圍視圖，輸入的圖像信號(hào)連接到Y(jié)軸，就像像示波器的輸入。Y軸信號(hào)表示亮度，X軸信號(hào)表示各點(diǎn)在線性傳感器上的位置。這個(gè)模式適于用來觀察感光度和聚焦情況。不同點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的差距可以用來幫助對(duì)焦，當(dāng)圖像聚焦時(shí)，波形圖上產(chǎn)生許多峰谷，出現(xiàn)最大的峰峰值表明焦距已經(jīng)對(duì)上。這是現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)里自動(dòng)對(duì)焦功能的原型。
另外一種是卷動(dòng)視圖，圖像向上卷動(dòng)，新掃描到的圖像出現(xiàn)在屏幕底部。這個(gè)模式能夠用來調(diào)整線分辨率。最后生成的二維圖像的高寬比決定于線分辨率和物體移動(dòng)的速度。卷動(dòng)視圖能夠展現(xiàn)出捕捉到的2D景象，但是如果被攝物體不移動(dòng)就只剩下水平的線了，所以相機(jī)或者物體之一一定要在給定的運(yùn)動(dòng)速度下拍攝，這樣才能一邊觀察一邊調(diào)節(jié)線分辨率。
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4、使用說明
線性掃描相機(jī)的一般用途同膠片時(shí)代的狹縫相機(jī)類似。狹縫相機(jī)很容易在性能上擊敗線性掃描相機(jī)，它的感光顆粒直徑14um，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CCD中單元的直徑，意味著極好的分辨率。但是玩狹縫相機(jī)意味著你要足夠的取景，對(duì)焦，拍攝和沖印能力，非老鳥不能為。
相機(jī)位置
這個(gè)相機(jī)需要被固定在合適的角度，這樣物體所成的像可以掃過線性傳感器。比如說，但物體橫向移動(dòng)或者橫方向特別長的話，相機(jī)最好固定在線性傳感器處于垂直的位置。這個(gè)角度必須精確，否則拍出的圖片會(huì)出現(xiàn)類似平行四邊形的扭曲。
調(diào)節(jié)焦距
這個(gè)線性掃描相機(jī)由一個(gè)5向搖桿控制（上下左右和中鍵），向右按可以切換顯示模式（范圍模式或者卷動(dòng)模式）。首先，輸入信號(hào)的電平可以通過光圈或者增益控制（上下點(diǎn)擊）。增益控制也可以通過左鍵自動(dòng)調(diào)整。接下來，通過對(duì)焦環(huán)調(diào)節(jié)焦距直到信號(hào)的峰峰值最大。
調(diào)整傳感器線分辨率
在卷動(dòng)模式下可以調(diào)節(jié)相機(jī)匹配傳感器線分辨率。調(diào)節(jié)直到屏幕上顯示的是正確的高寬比。傳感器線分辨率也可以通過物體移動(dòng)的速度，物體離鏡頭的距離和焦距來計(jì)算，這略微有些誤差，但數(shù)字圖片是可以通過后期處理來修正的。當(dāng)然如果傳感器線分辨率實(shí)在太低的話，這個(gè)過程會(huì)損失一些信息。通常來說傳感器線分辨率高不是壞事，就是靈敏度可能低些。傳感器線分辨率影響曝光時(shí)間（靈敏度），所以輸入電平的增益需要和不同的線分辨率匹配。
獲得圖像
中間的按鈕用來開始/停止拍攝。按下按鈕就可以開始記錄圖像。集群預(yù)分配會(huì)在0.5秒內(nèi)完成，然后暫停直到松開。松開按鈕時(shí)會(huì)開始記圖像錄，然后在任意按鈕按下時(shí)停止或者直到寫入數(shù)據(jù)到達(dá)了集群預(yù)分配區(qū)域的邊界。預(yù)分配的大小被配置到10萬行（大約100MB），但是可以根據(jù)拍攝物的尺寸改變。生成的圖像文件可以在電腦上進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)圖片朝向，高寬比或者做伽瑪校正。
5、實(shí)拍效果展示
圖 實(shí)拍效果圖像
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