数码相机都白菜价了?现在白菜都快赶上房价了!所以，立志要成为德艺双馨拍照大师的，不管一般、文艺仍是二逼的青年拍照师们，咱们仍是自己着手吧!
线性扫描相机是数码相机的一种。这种相机一般在各种机器中作为组成部分发挥作用，一般来说不简单在实际生活中独立见到。这个制造能协助你DIY并且进一步了解线性扫描相机。
线性CCD传感器(Charge-coupled Device line sensor，线性电荷耦合传感器)是线性扫描相机中最为重要的部分。我十多年前就在电子城中买下了它。可是想要制造一台小体积的便携线性扫描相机有些困难，电路部分需求高性能的微处理器和大容量存储器，在其时一般的个人制造对这些贵重的高档货只能敬而远之。所以它被我扔到一个褴褛盒子里，连我自己都简直忘记了。
十年的时刻之后，拜飞速发展的半导体工业所赐，芯片们的价格总算降到了能够承受的境地。现在即便是入门的新手也能随意享受到32位的微处理器和海量的存储卡，所以我依托最新的技能从头开端了这个项目!
自己着手做数码相机
自己着手做数码相机
1、线性扫描相机
1.1、相机原理
一般平面相机和线性相机的比较
线性扫描相机是数码相机的一种，它运用线性CCD传感器(一维CCD器材)作为图画传感器。一般的数码相机用一个平面CCD器材(二维CCD器材)捕捉焦平面上的图画，获取的图画是一个二维的平面。而对线性扫描相机来说，它所获取的图画是一条一维的线!
即便每次取得的图画只需一条线，线性扫描相机仍是有才干取得完好的图画。在制造一台线性扫描相机时，需求不断移动相机或许被摄物——这样每次取得的部分数据被存储在内存里，并终究像织布相同一条线一条线地拼凑成完好的图画。
在曩昔的胶片年代有一种狭缝相机。它和这儿说的线性扫描相机相似，经过一条窄缝(一维的窗口)成像，拼合一维图画获取完好的二维图画。
1.2、功用运用
线性扫描相机具有下面这些功用：
– 高分辨率。即便廉价的传感器也能做到10000点以上的分辨率。
– 简略紧凑的光学体系。不需求扫描桌。
– 对物体的尺度和长度没有约束，对很长的物体也能正确成像。
因为这些功用，线性扫描相机在许多当地得到了广泛运用，你能够在许多重要的设备上发现它们。比方：
– 复印机
– 图画扫描仪
– 传真机
– 机器视觉(查看长形物体)
– 卫星(比方拍下google地图的那些)
– 结尾拍照(体育比赛)
2、硬件构成
2.1、功用模块
线性扫描相机的各个功用模块
上图展现了构成线性扫描相机的各个功用模块。线性CCD传感器将搜集的光感信息传递到AD(模仿-数字)转换器数字化，然后以数字信号方式输入操控器。这些数据能够显现在显现屏上，或许传输到存储器里。扫描的频率在500线每秒到2000线每秒之间可调，视CCD器材的品种而定。
电路部分被分红三大部分，每块之间经过柔性印刷电路排线相连。我常常不运用定制的PCB因为它们太贵并且没有DIY精力，规划费事，之后有改动也费事。这种一次性的制造在洞洞板上随机应变最好了。
这是多么的飞线功力……
2.2、光路和外壳
光路和外壳
上图展现了如何为这个线性扫描相机制造外壳。这是从一个高知电子(Takachi electric industrial)的SW-85B塑料盒改造而来的外壳，这个项目的光路需求操控的十分准确，所以规划，加工，装置的时分都需求特别注意。这儿有 外壳的图纸 。带有线性传感器的模仿部分电路板装置在可动的螺钉上，这样就能随意调整间隔。
这次运用的透镜是C-mount接环的，它是工业摄像头中运用的规范镜头之一，可是不那么好弄到。我用了一个C-CS的转接环来将镜头装到壳体上。一个UNC(英制一致螺纹粗牙系列)螺母粘在盒子的底面上用来固定摄像头。盒内涂了一层导电涂料做电磁屏蔽。
2.3、模仿电路部分
模仿电路
上图是这个制造中的模仿电路部分，它包括线性扫描相机中最为重要的器材。上面装置了一个CCD线性传感器和模仿电路。CCD线性传感器是一枚东芝的TCD132D单色CCD，它对红外光也灵敏，所以为了取得与人眼感觉附近的图画需求一个红外滤镜(IRCF)。CCD线性传感器需求一个来自主控电路板的时钟信号驱动。传感器的模仿图画信号输出先经过一个可变增益放大器(AD8830)，再由一个模数转换器(ADC1173)转化为数字信号。ADC1173的8位数字信号输出送入主控电路板。像素收集率从0.5MHZ到2MHZ可变，可是模数转换器有必要在作业在至少两倍采样率的时钟频率下。每两次采样之后，向主控电路板输出一次数字信号。
模仿电路部分的电路图
2.4、主控电路部分
主控电路部分
主控电路板包括一个微处理器(MCU)，一个可编程逻辑器材(PLD)和电源部分。微处理器的芯片是一个NXP的LPC2368，它集成了一个在72MHZ下作业的ARM7TDMI中心，512K字节内存，32K+16K+8K字节的SRAM，还有给力的外围设备。它能够经过一个集成的SD卡操控器在4位原生形式下操控外置的MicroSD存储卡。LPC系列的ARM微处理器广泛用在现在的电子制造中，因为它的商场方针很对路，物美价廉。
一个可编程逻辑器材(LC4256V)被用来驱动CCD线性传感器。PLD里装备了一个用来给传感器供给时钟的时钟发生器和一个先入先出行列。电源供给部分供给了数字电源(3.3V)。和模仿部分的电源(12V)。
主控电路部分电路图
2.5、显现电路部分
显现电路部分
显现部分电路装置在盒子的反面，它供给了相机的操作界面。上面的器材包括一个OLED显现屏，开关。五向键和一个MicroSD插槽。翻开盒盖就能装置或许移除SD卡。
显现电路部分的电路图
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镜头接口视图
3、软件构成
3.1、数据处理
AD转换器的像素收集率能够高达2.1M像素每秒。首要，图画数据被存储在微处理器的缓冲存储器里。因为每秒2.1M的数据量对软件来说真实太过分，图画数据会存储到PLD的先进先出行列里。行列半满时触发微处理器的DRDT中止，然后微处理器一次承受一半行列的数据。行列的巨细是16字节，也便是说软件的操作周期只需有像素收集率的1/8就满足。这对触发中止来说不算太快，可是依然需求微处理器高速运转。这个项目里用了ARM7TDMI中心的快速中止恳求功用(FIQ，fast interrpt request，经过编组寄存器发生低推迟中止)，惋惜在Cortex-M3中心中这一功用被去掉了。
当微处理器呼应FIQ恳求时，一些寄存器切换到FIQ的编组寄存器状况，然后FIQ例程能够直接进入/脱离而省去了切换进程。为了最大化履行功率，一般来说FIQ例程是用汇编语言写的。在启用这一功用的 数据波形图 里，能够调查到8位的数据在不必存储的时分只需求0.8微秒处理，加上DMA形式下从总线写入SD卡也只用了2微秒，这样的推迟能够承受。
在每一行数据中有1094个像素，但其间有用的只需1024个。这些数据被存入内存，中止信号SYNC#在每一行数据的开端输出，用来同步第一个像素的数据。
3.2、重建图画
捕捉到的数据能够用通用的8位灰度BMP位图格局存储在MicroSD卡里，宽1024像素，长视拍照时刻而定。存储的格局是DCIMLCAMYnnnn.BMP(nnnn 是编号)，和一般的数码相机简直相同。
在运用廉价的微处理器将图画数据存入SD卡时会遇到一些困难，主要是输入的数据要在极短的时刻内存进文件。这个制造中的最大数据传输率是2MB每秒。走运的是LPC2368有一个MCI(SD/MMC卡的原生操控形式)，它能供给8MB/s的数据读取和6MB/s的数据写入才干。可是这是指读写大文件时的平均速度，事实上每次读写之间都需求一些死时刻用在SD卡的内部处理和文件体系上，为了防止这些糟蹋，一个数据缓冲器被用来在死时刻中暂存数据，可是微处理器体系的内存巨细是有限的，纷歧定有满足的空间进行缓冲。
让咱们估量一下每次写数据操作所能容许的时刻消耗。在这个制造里，一切32K的SRAM都用来做数据缓冲器，而程序在16K的ethernet RAM上运转。数据缓冲器分红两半，其间一块填充数据的时分另一块将数据写入闪存。 这要求在每8毫秒里写入16KB的数据，每次操作有必要在下次操作之前完结 。接下来的软件技巧能够处理这个问题。
数据写入进程中最重要的推迟发生在集群分配时，在实时操作体系里这是个很大的问题，集群分配导致的死时刻视状况不同或许高达数秒钟。这个制造里运用集群预分配(写入数据时用f-lseek函数请求一个比现在需求大许多的空间)来防止写入数据时进入分区表从头定位。每次写入操作都包括一个用来完毕操作的集群鸿沟条件。幻想一下SD卡里的文件预先整理出一块规整的空间给数据，这就防止了写入数据进程中很多导致推迟的不知道问题。
虽然有这些用来尽或许减小死时刻的办法，SD卡或多或少还有一些内部处理时刻。在选择SD卡的时分需求挑写入速度尽或许快的SD卡。我在许多牌子之间做过比较，成果发现东芝产SD卡有最小的写入推迟，也有最安稳的体现。
3.3、显现图画
显现图画
因为取得的图画数据都是一维的线条，它不能像传统平面成像的二维图画相同显现。为了这个问题需求一些特别的显现形式。
其间一种是规模视图，输入的图画信号连接到Y轴，就像像示波器的输入。Y轴信号标明亮度，X轴信号标明各点在线性传感器上的方位。这个形式适于用来调查感光度和聚集状况。不同点之间数据的间隔能够用来协助对焦，当图画聚集时，波形图上发生许多峰谷，呈现最大的峰峰值标明焦距现已对上。这是现在数码相机里主动对焦功用的原型。
别的一种是卷动视图，图画向上卷动，新扫描到的图画呈现在屏幕底部。这个形式能够用来调整线分辨率。最终生成的二维图画的高宽比决定于线分辨率和物体移动的速度。卷动视图能够展现出捕捉到的2D现象，可是假如被摄物体不移动就只剩余水平的线了，所以相机或许物体之一必定要在给定的运动速度下拍照，这样才干一边调查一边调理线分辨率。
4、运用说明
线性扫描相机的一般用处同胶片年代的狭缝相机相似。狭缝相机很简单在性能上打败线性扫描相机，它的感光颗粒直径14um，远远小于CCD中单元的直径，意味着极好的分辨率。可是玩狭缝相机意味着你要满足的取景，对焦，拍照和冲印才干，非老鸟不能为。
相机方位
这个相机需求被固定在适宜的视点，这样物体所成的像能够扫过线性传感器。比方说，但物体横向移动或许横方向特别长的话，相机最好固定在线性传感器处于笔直的方位。这个视点有必要准确，不然拍出的图片会呈现相似平行四边形的歪曲。
调理焦距
这个线性扫描相机由一个5向摇杆操控(上下左右和中键)，向右按能够切换显现形式(规模形式或许卷动形式)。首要，输入信号的电平能够经过光圈或许增益操控(上下点击)。增益操控也能够经过左键主动调整。接下来，经过对焦环调理焦距直到信号的峰峰值最大。
调整传感器线分辨率
在卷动形式下能够调理相机匹配传感器线分辨率。调理直到屏幕上显现的是正确的高宽比。传感器线分辨率也能够经过物体移动的速度，物体离镜头的间隔和焦距来核算，这稍微有些差错，但数字图片是能够经过后期处理来批改的。当然假如传感器线分辨率真实太低的话，这个进程会丢失一些信息。一般来说传感器线分辨率高不是坏事，便是灵敏度或许低些。传感器线分辨率影响曝光时刻(灵敏度)，所以输入电平的增益需求和不同的线分辨率匹配。
取得图画
中心的按钮用来开端/中止拍照。按下按钮就能够开端记载图画。集群预分配会在0.5秒内完结，然后暂停直到松开。松开按钮时会开端记图画录，然后在恣意按钮按下时中止或许直到写入数据抵达了集群预分配区域的鸿沟。预分配的巨细被装备到10万行(大约100MB)，可是能够依据拍照物的尺度改动。生成的图画文件能够在电脑上进行预处理，调理图片朝向，高宽比或许做伽玛校对。
5、实拍作用展现
实拍作用图画
