線掃描相機(jī)的原理及其優(yōu)勢(shì)

1、線掃描相機(jī)的原理及應(yīng)用線掃描相機(jī)的原理及應(yīng)用 內(nèi)容簡(jiǎn)介Confidential No distribution permitted1.數(shù)字相機(jī)成像原理什么是線掃描相機(jī)相機(jī)參數(shù)及常用術(shù)語(yǔ)介紹2.為什么要使用線陣相機(jī) 線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的區(qū)別 線掃描系統(tǒng)的組成 如何選擇線掃描及其同步3.怎樣使用線陣相機(jī) Teledyne DALSA線陣相機(jī)的使用 使用線陣相機(jī)需要注意的方面4.應(yīng)用案例Confidential No distribution permitted1.數(shù)字相機(jī)成像原理3a) 光線透過(guò)鏡頭投射到感光元件表層；b) 光線被感光元件表層上濾鏡分解成不同的色光；c) 色光被各濾鏡相對(duì)應(yīng)的感光單

2、元感知，并產(chǎn)生不同強(qiáng)度的模擬電流信號(hào)，再由感光元件的電路將這些信號(hào)收集起來(lái)；d) 模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再由 DSP對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，還原成為數(shù)字影象；e) 數(shù)字影象再被傳輸?shù)酱鎯?chǔ)卡上保存起來(lái)Confidential No distribution permitted數(shù)字相機(jī)的成像原理CCD是電荷耦合器件的縮寫(xiě)，是相機(jī)里的一個(gè)重要部件 用一個(gè)形象的比喻來(lái)說(shuō)明，CCD的結(jié)構(gòu)中每個(gè)像素就像一個(gè)個(gè)的小桶，光線就象雨滴撒入各個(gè)小桶，每個(gè)小桶就是一個(gè)像素。按下快門拍照的過(guò)程，就是相機(jī)在一定的曝光時(shí)間中，像素的“小桶” 收集“光滴”的過(guò)程，曝光結(jié)束后，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，就形成了我們所熟悉的

3、照片。面陣相機(jī)和線陣相機(jī)51. 什么是面陣相機(jī)數(shù)碼相機(jī)幀率， 分辨率2. 什么是線陣相機(jī)傳真機(jī)， 掃描儀行頻， 分辨率柱狀物體，大幅面，運(yùn)動(dòng)Confidential No distribution permitted面陣相機(jī)普通面陣相機(jī)及日常用的數(shù)碼相機(jī)芯片都是面陣的，長(zhǎng)方形的，所以當(dāng)我們拍照的時(shí)候，得到的是一張方形的圖片Confidential No distribution permitted線陣相機(jī)線陣相機(jī)也稱線掃描相機(jī)，線陣CCD工業(yè)相機(jī)工業(yè)相機(jī)的傳感器僅是由一行或者多行感光芯片構(gòu)成的，拍照時(shí)需要通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，行成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，才能得到想要的圖像。相機(jī)的分辨率 相機(jī)能夠捕捉到的細(xì)節(jié)度稱為分

4、辨率，用像素來(lái)衡量。相機(jī)的像素越多，能夠拍攝的細(xì)節(jié)就越多，照片也就可以越大而不變得模糊或產(chǎn)生“顆?！?。 面陣相機(jī)常見(jiàn)的分辨率包括：640 X 480, 1024 X 768, 1280 X 960,1600 X 1200 等等 線陣相機(jī)常見(jiàn)的分辨率包括：1k, 2k, 4k, 8k,12k, 16k 等等 8黑白和彩色相機(jī)91. 目前絕大部分的視覺(jué)應(yīng)用都是用的黑白相機(jī)2. 黑白相機(jī)的成像原理3. 彩色相機(jī)的成像原理相機(jī)的接口相機(jī)的常用接口分為多種：1. GigE: 100MB/s ，100m2. USB: 60MB/S(u)， 5m3. IEEE1394: 80MB/s (1394b), 4.

5、5m4. CameraLink: 680MB/s, 15m各種接口的數(shù)據(jù)傳輸量不同，穩(wěn)定性不同102.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的區(qū)別面陣相機(jī)一幀圖像面陣相機(jī)的芯片組成2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 線陣相機(jī)與面陣相機(jī)的區(qū)別線掃描相機(jī)由許多幀圖像組成2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 線陣相機(jī) VS 面陣相機(jī)線掃線掃描描傳傳感器通常有感器通常有1或或2行的像素行的像

6、素垂直大小不受垂直大小不受傳傳感器尺寸限制感器尺寸限制下一行下一行時(shí)時(shí)被以前的被以前的線轉(zhuǎn)線轉(zhuǎn)移（并移（并聯(lián)聯(lián)） ）水平分辨率高達(dá)水平分辨率高達(dá)16384像素像素?cái)?shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)速率為為1179兆赫兆赫需要移需要移動(dòng)產(chǎn)動(dòng)產(chǎn)品或相機(jī)品或相機(jī)面面陣陣相機(jī)有多行像素通常相機(jī)有多行像素通常為為4 / 3垂直大小受垂直大小受傳傳感器尺寸限制感器尺寸限制獲獲取新的取新的圖圖像像限制于限制于幀幀速率速率水平分辨率高達(dá)水平分辨率高達(dá)5344像素像素?cái)?shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)速率為為760兆赫兆赫產(chǎn)產(chǎn)品可以是固定的品可以是固定的2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted

7、 成本 以IPAD MINI為例。假設(shè)精度為0.01mm。 如果使用500W像素的面陣相機(jī)（2500X2000）檢測(cè)其外觀尺寸，按照一個(gè)像素代表0.01mm來(lái)計(jì)算，至少需要56臺(tái)相機(jī)。 如果使用16K像素的線陣相機(jī)，則只需要1臺(tái)相機(jī)。2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 效率 同樣是前面的例子。 如果使用多臺(tái)面陣相機(jī)檢測(cè)，首先要考慮相機(jī)的安裝位置，其次每臺(tái)相機(jī)要配備相同的光源，最重要的是每臺(tái)相機(jī)需要標(biāo)定，最后每臺(tái)相機(jī)的數(shù)據(jù)需要匯總后再處理。 如果使用線陣相機(jī)，只需要1臺(tái)相機(jī)和相應(yīng)的光源，對(duì)一臺(tái)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)一臺(tái)相機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處

8、理。2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 線掃描系統(tǒng)的組成 線掃描系統(tǒng)除了控制和分析的主機(jī)系統(tǒng)及固定用的機(jī)械機(jī)構(gòu)外, 主要分為視覺(jué)及運(yùn)動(dòng)控制兩大部分。 視覺(jué)部分主要組件包括:線陣相機(jī)(Line-scan camera), 鏡頭(Lens), 光源(Lighting), 影像采集卡(Frame Grabber)。 運(yùn)動(dòng)控制的部份包括:馬達(dá), 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器,旋轉(zhuǎn)編碼器， 運(yùn)動(dòng)控制卡或PLC, 有時(shí)會(huì)搭配傳感器(Sensor)做觸發(fā)。如何選擇線掃描相機(jī)Confidential No distribution permitted 線陣相機(jī)

9、的選擇取決于傳感器尺寸和線速度線陣相機(jī)的選擇取決于傳感器尺寸和線速度 確定傳感器尺寸確定傳感器尺寸. . ( (瑕疵或目標(biāo)物最少有瑕疵或目標(biāo)物最少有3 3 或或 4 4 個(gè)像素個(gè)像素) ) 例如例如: FOV = 12”, : FOV = 12”, 最小檢測(cè)尺寸最小檢測(cè)尺寸= 0.005” = 0.005” (FOV/(FOV/檢測(cè)尺寸檢測(cè)尺寸) x () x (最少像素個(gè)數(shù)最少像素個(gè)數(shù)) ) 12/.005 x 3 = 7200 pixels (8K 12/.005 x 3 = 7200 pixels (8K 相機(jī)相機(jī) 或或 2 2個(gè)個(gè)4K4K相機(jī)相機(jī)) ) 為了確定相機(jī)的線速率，需要圖像像

10、素尺寸和產(chǎn)品速度。為了確定相機(jī)的線速率，需要圖像像素尺寸和產(chǎn)品速度。 例如例如: FOV = 12”, : FOV = 12”, 速度速度 20”/ 20”/秒秒, 8k , 8k 相機(jī)相機(jī) 圖像像素尺寸圖像像素尺寸= FOV/ = FOV/ 傳感器尺寸傳感器尺寸12/8192 = 0.001465” 12/8192 = 0.001465” 需要的最低線速度需要的最低線速度: 20/0.001465 = 13,654 : 20/0.001465 = 13,654 可以使用可以使用Piranha2 8k 18khz Piranha2 8k 18khz 相機(jī)相機(jī) ( (或或 2 Spyder3 4

11、k 18khz 2 Spyder3 4k 18khz 相機(jī)相機(jī)) ) 2.為什么要使用線掃描系統(tǒng)線掃描相機(jī)的同步Confidential No distribution permitted 2.為什么要使用線掃描系統(tǒng) 用編碼器（線觸發(fā)輸入）同步線陣相機(jī)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。用編碼器（線觸發(fā)輸入）同步線陣相機(jī)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。 單個(gè)像素是個(gè)正方形單個(gè)像素是個(gè)正方形. .每個(gè)像素寬度需要一個(gè)編碼器脈沖。如果給的脈每個(gè)像素寬度需要一個(gè)編碼器脈沖。如果給的脈沖少了，圖像中會(huì)缺少部分產(chǎn)品信息。如果脈沖給多了，則產(chǎn)品圖像過(guò)沖少了，圖像中會(huì)缺少部分產(chǎn)品信息。如果脈沖給多了，則產(chǎn)品圖像過(guò)多看著像被多看著像被“拉伸拉伸”。 例

12、如例如: : 圖像像素尺寸圖像像素尺寸= 0.001465” = 0.001465” 速度速度20”/20”/秒秒編碼器脈沖頻率編碼器脈沖頻率= 20/0.001465 = 13,654 = 20/0.001465 = 13,654 一個(gè)輪子是安裝旋轉(zhuǎn)編碼器可以得到此頻率一個(gè)輪子是安裝旋轉(zhuǎn)編碼器可以得到此頻率 例如例如: :每轉(zhuǎn)一周編碼器給出每轉(zhuǎn)一周編碼器給出10241024個(gè)脈沖個(gè)脈沖周長(zhǎng)周長(zhǎng)= = 脈沖數(shù)脈沖數(shù) * * 像素尺寸像素尺寸1024 x 0.001465 = 1.5” 1024 x 0.001465 = 1.5” （周長(zhǎng)）（周長(zhǎng)） 也可以用一個(gè)可編程的編碼器。也可以用一個(gè)可編程

13、的編碼器。Confidential No distribution permitted線陣相機(jī)的應(yīng)用行業(yè)線掃描系統(tǒng)對(duì)大幅面、高精度、圓柱狀物體檢測(cè)等方面有很好的應(yīng)用，主要應(yīng)用的行業(yè)有：印刷制品、大型玻璃、糧食色選、LCD面板檢測(cè)、PCB檢測(cè)、鋼鐵檢測(cè)、煙草行業(yè)、紡織行業(yè)等，這些行業(yè)產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是：幅面較寬，速度快，精度高，流水線上產(chǎn)品連續(xù)性高。3.如何選用合適的線陣相機(jī)搭建一套視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)Confidential No distribution permitted1. 如何選取合適的線掃描相機(jī)2. 選取合適的圖像采集卡3. 選取合適的圖像處理器和圖像處理軟件4. 如何選取合適的鏡頭3.怎樣使

14、用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 使用Sherlock圖像處理軟件來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理3.怎樣使用線掃描系統(tǒng)Confidential No distribution permitted 使用線陣相機(jī)需要注意的方面1.光源和鏡頭的選擇 F口的鏡頭 線型專用LED光源或者鹵素光源2.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)的均勻性 精密測(cè)量時(shí)需要加裝旋轉(zhuǎn)編碼器3.調(diào)試時(shí)的圖像采集 運(yùn)動(dòng)速度與相機(jī)采集速度的匹配正常 太快 太慢4.應(yīng)用案例Confidential No distribution permitted 在過(guò)去，線掃描系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于造紙，印刷，鋼鐵以及玻璃制造

15、行業(yè) 如今，線掃描系統(tǒng)也用于高精密度的尺寸測(cè)量和瑕疵檢測(cè)項(xiàng)目中4.應(yīng)用案例一Confidential No distribution permitted 通過(guò)滾筒機(jī)械運(yùn)動(dòng)，將圓形物體轉(zhuǎn)換為平面圖像進(jìn)行字符識(shí)別，彩色檢測(cè)和瑕疵檢測(cè)1.刻字內(nèi)容無(wú)錯(cuò)2.各種彩色條紋排列是否準(zhǔn)確3.各種彩色條紋顏色濃淡程度4.應(yīng)用案例二: 瑕疵檢測(cè)Confidential No distribution permitted 通過(guò)Sherlock軟件的預(yù)處理和算法，檢測(cè)缺陷裂紋很難與背景分開(kāi)腐蝕白色平滑Roughness閾值分析尺寸過(guò)濾4.應(yīng)用案例三： 劃痕檢測(cè)Confidential No distribution

16、permitted 通過(guò)Sherlock軟件的預(yù)處理和算法，檢測(cè)缺陷玻璃的表面紋理使用更好的光源但缺陷還是不清晰平滑并計(jì)算粗糙度腐蝕并進(jìn)行閾值分析4.應(yīng)用案例四：精密測(cè)量Confidential No distribution permitted 通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)平面物體進(jìn)行精密尺寸測(cè)量和瑕疵檢測(cè)Confidential No distribution permitted4.應(yīng)用案例五：標(biāo)簽檢測(cè)Confidential No distribution permitted 瓶子上標(biāo)簽掃描后瓶子上標(biāo)簽掃描后2D2D圖圖Confidential No distribution permitted 安

17、裝圖安裝圖Confidential No distribution permitted多表面檢測(cè)瑕疵類型檢測(cè)瑕疵數(shù)量檢測(cè)高危場(chǎng)合檢測(cè)4.應(yīng)用案例六：閥槽檢測(cè)Confidential No distribution permitted 示意圖示意圖Confidential No distribution permitted2D2D圖圖Confidential No distribution permitted 檢測(cè)界面檢測(cè)界面Confidential No distribution permitted 表面瑕疵檢測(cè) 高倍率 重復(fù)檢測(cè)4.應(yīng)用案例七：醫(yī)療設(shè)備部件檢測(cè)Confidential No distribution permitted 軟件處理過(guò)程圖軟件處理過(guò)程圖1-21-2Confidential No distribution permitted 軟件處理過(guò)程圖軟件處理過(guò)程圖3-43-4Confidential No distribution permitted定位（鉚釘、墊環(huán)、支架、打印、手柄等）托盤尺寸長(zhǎng)到 27” 寬到18 4.應(yīng)用案例八：醫(yī)療盤檢測(cè)Confidential No distribution permitted 安裝示意圖安裝示意圖Confidential No distribution permitted 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Confide