線掃描機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作原理

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目前市場上共有兩種類型的采集方法可用于采集物體的圖像：面陣掃描和線掃描。最常見的2D機(jī)器視覺系統(tǒng)使用面陣掃描相機(jī)，此類相機(jī)在采集圖像時需要曝光完整的像素矩陣。相比之下，線掃描相機(jī)包含單行像素，其通過逐個像素線構(gòu)建最終的2D圖像。

構(gòu)建線掃描圖像需要相機(jī)與物體之間保持相對運動，通常為沿著輸送帶或旋轉(zhuǎn)軸運動。當(dāng)物體移動經(jīng)過相機(jī)面前時，相機(jī)將采集一個新的像素線。

視覺處理器或圖像采集卡上的軟件將存儲每個像素線，然后將像素數(shù)據(jù)重新構(gòu)建為最終的2D圖像。這種獨特的圖像采集過程擅長于采集輸送帶上快速移動的離散元件的圖像，檢測柱形物體的所有側(cè)面，以及構(gòu)建超大物體的圖像。

文件掃描儀、復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)等將文件掃描到存儲器中的商用設(shè)備采用線掃描技術(shù)，制造和物流領(lǐng)域的生產(chǎn)線和分銷線也是如此，它們依靠這種特殊技術(shù)快速采集高分辨率圖像，用于執(zhí)行復(fù)雜元件的檢測。

面陣掃描相機(jī)照亮物體，并采集所有曝光的像素以構(gòu)建圖像。相比之下，線掃描相機(jī)點亮并逐個線條采集像素。

由于線掃描成像儀可提供500-8,000像素/線條的分辨率，有些甚至能夠跟上67,000個線條/秒的高速線條采集速率，最新一代線掃描相機(jī)可提供以前需要一組高分辨率視覺成像儀才能解決的應(yīng)用所需的所有性能。

這些屬性使線掃描相機(jī)成為了在連續(xù)或離散“卷筒”表面檢測應(yīng)用中采集目標(biāo)物體圖像的理想選擇，比如塑料、織物、金屬或紙張。

線掃描相機(jī)還可以“展開”柱形物體，以采集它們的整個表面區(qū)域。同時，此技術(shù)還適用于一些需要高分辨率成像以實現(xiàn)精確測量和缺陷檢測的較大物體，比如平板顯示器、太陽能電池和汽車零部件。

由于線掃描系統(tǒng)只需查看目標(biāo)物體的一小部分來采集每個線條，它們無需目標(biāo)物體提供較大的無遮擋視場。出于此原因，它們非常適用于視場或安裝空間有限的裝置。

系統(tǒng)組件

線掃描視覺系統(tǒng)可以配置線掃描相機(jī)和運行機(jī)器視覺軟件的PC或視覺控制器，或者作為嵌入式系統(tǒng)提供，其中相機(jī)和軟件包含在一個封裝中。這兩種設(shè)置的組件擁有許多共同的元素。跟所有機(jī)器視覺系統(tǒng)一樣，選擇正確的鏡頭、光源和觸發(fā)裝置對任何線掃描應(yīng)用的成功都至關(guān)重要。

編碼器

編碼器將輸送帶的線性運動傳遞給線掃描相機(jī)，指示何時采集圖像的下一個線條。在許多應(yīng)用中，要保證運動物體的持續(xù)、穩(wěn)定運動是很困難的，特別是在裝配線速度提升或下降過程中。速度變化會影響所采集圖像的高寬比。

舉例來說，線掃描相機(jī)可能會過快地采集線條，導(dǎo)致線條重復(fù)采集和圖像拉伸。如果相機(jī)采集線條速度過慢，它則可能會跳過一些線條，導(dǎo)致圖像變得更稀薄。為了保持恒定的高寬比，并且允許速度波動，僅當(dāng)行進(jìn)的距離等于所定義的值，通常為所投影像素的長度時，編碼器才會指示相機(jī)采集線條。

編碼器通常安裝在軸上，提供信號以指示運動。有些編碼器會產(chǎn)生兩個單獨的信號（A和B），基于這些信號可以檢測到線條方向以及與運動相關(guān)的更細(xì)粒度信息。線掃描系統(tǒng)可與硬件（基于運動）編碼器或軟件（基于時間并根據(jù)運動計算）編碼器結(jié)合使用。

光源

線掃描相機(jī)采集一行像素時僅需一條光線。這意味著不同于面陣掃描相機(jī)，線掃描相機(jī)不需要將元件均勻照亮。強(qiáng)烈、無波動且高度聚焦的“線”型照明最適合線掃描應(yīng)用，由于采集速度較快（通常每個線條只需數(shù)微秒時間），這也需要較高強(qiáng)度的光線。線性光源與相機(jī)對位，以最大限度地增加通常始終開啟而非頻閃光線的強(qiáng)度。

鏡頭

鏡頭的光學(xué)質(zhì)量各不相同，并最終確定所采集圖像的分辨率。選擇高質(zhì)量的鏡頭非常重要，以確保充分利用線掃描相機(jī)的像素大小。使用正確的鏡頭將有助于系統(tǒng)采集最佳圖像，以執(zhí)行高度復(fù)雜的檢測。

觸發(fā)器

觸發(fā)裝置指示相機(jī)何時開始采集像素。線掃描系統(tǒng)可以使用直接連接至相機(jī)的硬件觸發(fā)器或者通過工廠車間工業(yè)協(xié)議或PC連接的軟件觸發(fā)器。

線掃描相機(jī)能夠:

展開柱形物體以檢測標(biāo)簽 檢測印刷、金屬和塑料缺陷及瑕疵 提供較長或卷軸上產(chǎn)品/元件的 100%檢測 提供高分辨率圖像以實現(xiàn)準(zhǔn)確測量 確保采樣的一致性 支持高速元件掃描 ?

相比面陣掃描系統(tǒng)，線掃描系統(tǒng)擁有特定的優(yōu)勢:

無固定尺寸: 有些線掃描相機(jī)可以將所采集圖像的長度調(diào)整為無限長。這使得在某些情況下可以在幀之間創(chuàng)建無間隙的連續(xù)圖像。 高分辨率: 線掃描圖像達(dá)到80兆字節(jié)或以上像素數(shù)據(jù)的情況并不少見。 更短的曝光時間: 面陣掃描相機(jī)通常比線掃描相機(jī)需要更長的曝光時間。 ? 為什么要選擇線掃描相機(jī)技術(shù)？

無論是食品和飲料、電子產(chǎn)品還是包裝和物流應(yīng)用，線掃描相機(jī)技術(shù)都可以幫助制造商采集對于面陣掃描相機(jī)而言具有挑戰(zhàn)性的快速移動、大型和柱形物體的高分辨率圖像。

展開柱形物體以進(jìn)行檢測

檢測圓形或柱形元件時，可能需要多臺面陣掃描相機(jī)才能覆蓋整個元件表面。當(dāng)柱形物體在軸上旋轉(zhuǎn)時，線掃描相機(jī)可以創(chuàng)建該物體的2D“展開”圖像。這消除了特殊夾具以及用于在不同的坐標(biāo)空間將多個圖像拼接在一起的復(fù)雜算法的需要。此功能在檢測物體、灌裝液位、標(biāo)簽和安全密封墊的尺寸和均勻性時十分有用。

向空間有限的應(yīng)用環(huán)境添加視覺

由于線掃描相機(jī)在構(gòu)建圖像時每次僅采集單個像素線條，它只需在物體快速移動時查看物體的一小部分便可。此屬性使線掃描相機(jī)非常適用于視場或空間有限（比如電子產(chǎn)品和醫(yī)藥行業(yè)）或者相機(jī)需要透過輸送帶上的滾軸查看元件底部的應(yīng)用。

以低成本采集高分辨率圖像

線掃描系統(tǒng)通常還能夠比傳統(tǒng)面陣掃描相機(jī)提供更高的分辨率。高分辨率檢測在大多數(shù)科技型行業(yè)中至關(guān)重要。相比面陣掃描相機(jī)，配備適當(dāng)成像儀的線掃描相機(jī)能夠以低得多的成本創(chuàng)建超大的圖像。出于此原因，運動中的線掃描相機(jī)是高分辨率面陣掃描相機(jī)切實可行的替代解決方案。

檢測卷筒表面

由于線掃描系統(tǒng)構(gòu)建圖像時需要元件處于運動狀態(tài)，它們通常非常適用于產(chǎn)品處于運動中的應(yīng)用，比如高速包裝線和輸送帶上的產(chǎn)品檢測。這使得執(zhí)行較長表面（或者“卷筒”）的檢測以及代碼和文本的驗證變得很容易。使用面陣掃描相機(jī)時將需要進(jìn)行額外的處理，以調(diào)整幀重疊、復(fù)雜的圖像拼接和硬件同步化等問題。有些線掃描相機(jī)型號可以在幀之間獲取一連串的連續(xù)（即無間隙）圖像，而有些線掃描相機(jī)型號在采集圖像時則需要幾個線條之間保持最小的間隙。用于執(zhí)行離散或連續(xù)檢測的線掃描相機(jī)型號可以采集尺寸隨機(jī)分布元件的圖像，圖像之間無較大的空白區(qū)。

編輯：黃飛

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