什么是線掃系統(tǒng) 線掃系統(tǒng)機(jī)器視覺部分的選型要點(diǎn)

隨著機(jī)器視覺的大規(guī)模普及與工業(yè)流水線速度、精度要求的提高，線掃描系統(tǒng)越來越被機(jī)器視覺工程師和最終用戶認(rèn)可和接受。

那么如何選擇線陣相機(jī)呢？線陣相機(jī)有什么特點(diǎn)？線掃描相機(jī)工作原理是什么？下面我們就來簡單介紹一下線掃機(jī)器視覺方面如何選型。

那么，什么是線掃系統(tǒng)呢？線掃系統(tǒng)就是類似于打印機(jī)的復(fù)印和掃描過程，主要用于被測物體和相機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場合。通過線掃相機(jī)高速的采集，每次采集完一條線后正好運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)單位精度長度，繼續(xù)下一條線的采集，這樣經(jīng)過一段時(shí)間就拼成了一張二維的類似于面陣相機(jī)采集到的圖片，不同之處在于高度可以無限長。接下來可以通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或放入緩存稍后進(jìn)行處理。

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線掃描系統(tǒng)除了機(jī)械結(jié)構(gòu)之外, 其主要組成部分還包括機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制。

1、運(yùn)動(dòng)控制部分，主要包括馬達(dá)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡或 PLC 以及機(jī)械單元等，為了保證采集的圖像與輸送帶同步，有時(shí)還會(huì)需要用到編碼器。

2、機(jī)器視覺部分，主要包括線掃相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡和機(jī)器視覺軟件等。

3、由于線掃描信息量大，所以也需要一臺(tái)高性能的工控機(jī)，配置大容量的內(nèi)存和硬盤，主板要提供 PCI、PCI-E 或 PCI-X 插槽等用于運(yùn)控卡或圖像采集卡的安裝。

接下來談一下線掃系統(tǒng)機(jī)器視覺部分的選型：

一般來講，一個(gè)面陣視覺系統(tǒng)的配置選型是按照這樣的順序進(jìn)行的：相機(jī)＋采集卡->鏡頭->光源。線陣視覺系統(tǒng)也類似，首先根據(jù)系統(tǒng)的檢測精度和速度要求，確定線陣 CCD 相機(jī)分辨率和行掃描速度，同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的采集卡；然后根據(jù)線陣相機(jī)的鏡頭接口和檢測工件的視野要求來考慮鏡頭的選型，最后根據(jù)檢測工件的應(yīng)用環(huán)境和檢測目標(biāo)確定光源的選型。

一、線陣工業(yè)相機(jī)的選型

第一步：計(jì)算分辨率。被檢物體寬度（與運(yùn)動(dòng)方向垂直）除以最小檢測精度得出每行所需要的像素值。

第二步：計(jì)算實(shí)際精度。根據(jù)上面像素值選擇相機(jī)。然后用被檢物體寬度除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測精度。

第三步：計(jì)算每秒掃描行數(shù)，也就是線掃描速率。每秒運(yùn)動(dòng)速度長度除以精度得出每秒的掃描行數(shù)。

根據(jù)以上數(shù)值就可以選定相機(jī)。

例如被檢物體寬度為160mm、精度0.1mm、運(yùn)動(dòng)速度2200mm/s相機(jī)分辨率：160/0.1＝1600像素應(yīng)為2000像素左右，先選定為2K 相機(jī)

實(shí)際精度為：160mm/2048像素＝0.08mm

線掃描速率：2200mm/0.08mm＝27.5KHz

所以應(yīng)選定相機(jī)為線掃描速率大約為28kHz 的2K 相機(jī)。

二、線陣鏡頭的選型

常見的線陣相機(jī)分辨率目前有0.5k、1K、2K、4K、6K、8K、12K、16K 等幾種，像素大小有5um、7um、10um、14um 等幾種，這樣芯片的大小從 7..168mm (512x14um) 到 81.920mm (16Kx5um)不等。很顯然，C 接口遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因?yàn)椋媒涌谧畲笾荒芙?22 mm 的芯片，也就是1.3英寸。所以很多相機(jī)的接口為 F型，不同的鏡頭接口對(duì)應(yīng)不同的后背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。

光學(xué)放大倍率(β,Magnification)

確定了相機(jī)分辨率和像素大小，就可以計(jì)算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以視野范圍(FOV)就等于光學(xué)放大倍率。β=CCD/FOV

接口(Mount)：

主要有 C、CS、F、M42x1 、T2、M72x0.75等幾種，確定了之后，就可知道對(duì)應(yīng)接口的長度。

后背焦(Flange Distance)

后背焦指相機(jī)接口平面到芯片的距離，是一個(gè)非常重要的參數(shù)，由相機(jī)廠家根據(jù)自己的光路設(shè)計(jì)確定。不同廠家的相機(jī)，哪怕是接口一樣，也可能有不同的后背焦。

有了光學(xué)放大倍率、接口、后背焦，就能計(jì)算出工作距離和節(jié)圈長度。選好這些之后，還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是看 MTF 值是否足夠好？很多機(jī)器視覺工程師不了解 MTF,而對(duì)高端鏡頭來說就必須用 MTF 來衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF 涵蓋了對(duì)比度、分辨率、空間頻率、色差等相當(dāng)豐富的信息，并且非常詳細(xì)地表達(dá)了鏡頭中心和邊緣各處的光學(xué)質(zhì)量。關(guān)于 MTF 表格，請(qǐng)自行了解，這里不再贅述。

鏡頭不僅只是工作距離、視野范圍滿足要求，邊緣的對(duì)比度不夠好，也要重新考慮是否選擇更高分辨率的鏡頭。

三、關(guān)于光源、鏡頭的調(diào)試

線掃描系統(tǒng)，對(duì)光源和相機(jī)來說，有效的工作區(qū)域都是一個(gè)窄條。也就是保證光源照在這個(gè)最亮的窄條與相機(jī)芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個(gè)亮點(diǎn)。所以機(jī)械安裝、調(diào)試是比較費(fèi)工夫的。同時(shí)由于檢測物體寬度往往比較寬，對(duì)于線光源有兩個(gè)特別的要求，就是均勻性和直線性。因?yàn)榫€光源不同位置的亮暗差異，會(huì)直接影響圖像的亮度高低，這一點(diǎn) LED 比鹵素?zé)舾每刂?。出光部分的直線性，取決于 LED 發(fā)光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。

由于現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，客戶總是希望花多一些時(shí)間去現(xiàn)場調(diào)試。如我們前面講到的相機(jī)、光源、被測物體的相對(duì)角度測試、分析，許多因素會(huì)直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實(shí)驗(yàn)室測試，有了方案之后，再去現(xiàn)場調(diào)試，這樣會(huì)最有把握，也能提高調(diào)試效率。畢竟服務(wù)也是需要成本的。

編輯：黃飛

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