谈PSbased架构的线扫描影像检测系统下淬火

谈PS-based架构的线扫描影像检测系统(下)

谈PS-based架构的线扫描影像检测系统(下) 2011年12月04日 来源： 3、光源的选择在选择辅助光源时，切勿将区域扫描(Area-scan)用的交流电(AC Power)光源在线性扫描(Line-scan)上，线性扫描应该选用交流电(DC Power)光源作为辅助，以下是简单的介绍有关摄影机曝光成像时间与光源频率之间的互动关系。① 下图所示为一般区域扫描 (Area-scan) 摄影机 (取像速度大约在30fps) 在一般室内日光灯源 (交流电源，频率为60Hz) 下的示波器取像讯号。日光灯的闪烁频率对这样的摄影机的曝光时间而言，并不会有太大影响，使用者仍然可以取得亮度均匀的影像。

② 下图所示为将区域扫描摄影机的快门调快，这也就会造成曝光时间变短，这时候摄影机明显受到日光灯的闪烁频率所影响，在光线闪烁的亮暗之间取像出来的影像也会出现忽明忽暗的情形。

③ 线性扫描的曝光时间通常都是在Micro-second 等级，因此假若是使用日光灯源用在线性扫描摄影机上，那么呈现出来的影像就会如同下图的影像一样，会出现周期性的亮暗不均影像。

除了交流电的光源闪烁频率问题外，另外光源的选择及使用上还有下列几点注意事项：① 光源的色温－只要是彩色取像对色纯度有绝对的要求时，那么不论是Area-scan 还是Line-scan 的摄影机在选择灯源上都应选用白光，偏黄或偏其它颜色的光源都会导致色偏的问题。 另外表面易有反射的待测物体应使用波长较长的偏红光源或冷光灯源，波长较短的白光(例如：同轴落射光源或金属灯源)易让反射问题更严重。② 光源的均匀度－Line-scan Camera故名思义它的感光区域只有在那细细的一条CCD区域上，因此较适合使用线性灯源例如：高周波荧光灯管或加光纤导管的线性灯源(建议在线性导光管前面加上聚光镜，可以强化光的强度避免光线散开同时可以延长灯源的寿命)，至于Area-scan 常会使用的LED灯源通常会作一些外缘形状的排列(例如：环形或矩形)，同时当排列角度及安装位置或距离不一样时，LED所交错出来的光源强度及位置也会有所不同，因此不建议使用在Line-scan Camera 取像辅助。③ 灯源的生命周期－一般的灯泡或灯管都会有生命周期从数千小时到上万小时的都有，在使用上要注意何时应更换灯泡或灯管，依据特性不一样例如：卤素灯源在生命周期的末期是亮度渐渐变暗，但是有些金属灯源例如：金属卤素(Metal Halid)或氙气(Xenon)灯泡到生命周期末则可能是突然完全不亮，因此在选择及使用上时都应注意灯源的生命周期以避免影响系统的取像运作。④ 光源的架设位置－线扫描的光源架设位置主要是以Line-scan Camera 的CCD可以感光的区域为主，但是依据待测物体的材质特性则架设位置也会有所不同，例如：透明的玻璃或压克力材质其光源可采用背光位置，至于不透明材质则可以由上或侧边投射光源，但最好在设计机构时注意一下灯源的投射角度及范围是否提供CCD足够且均匀的光线。4、镜头的选择一般在选择镜头时可以看到镜头规格标示例如： 55mm/f2.8，前面的55mm 即代表了焦距(Focal Length)，而后面的f2.8则代表最大光圈(Maximum Aperture，数字越小入光量越大)，焦距长就代表景深越深(可以看的范围也会加大)但同时入光量也会越小，所以必需尽量选择入光量较大的规格为佳。目前市面上的镜头以C-Mount 及CS-Mount 接环规格的镜头种类及规格型式最齐全，因为大多数从监控保全摄影机到工业级模拟摄影机大多设计这两种接环规格 (C-Mount跟CS-Mount的差异在于背焦距离不一样，背焦距离是由CCD Sensor表面至镜头接环口平面之间的距离，C-Mount的背焦距离是12.52mm，CS-Mount则是17.52mm)，但是就Line-scan Camera 而言通常只要分辨率大于2048pixels(含)以上，摄影机厂商便会将接环设计成F-Mount (背焦距离为12mm)，主要的原因在于C-Mount跟CS-Mount 的接环内径大约只有26mm，而接环内径再扣掉镜头的外壳实际入光的内径范围顶多20mm，再加上光线进入到变焦镜头时CCD通常以中心地区的感光最好外缘感光最差，有些2048pixels的摄影机虽然提供C-Mount接环让使用者更容易选购镜头，但取像后外缘影像亮度通常会比较暗造成影像亮度不均的情形，因此对于2048pixels以上的Line-scan Camera 来说采用F-Mount (接环内径约43mm) 镜头较佳，但 F-mount 规格的镜头多设计用于单眼摄影像机用途，故规格不如C-Mount 及CS-Mount 镜头来得多样化同时价格上较高。 另外像超高分辨率例如：8196pixels或12288pixels 的 Line-scan camera 通常除了特制接环的镜头规格外，部份厂商仍以提供F-Mount 规格但提供软件的遮光校正(Shading Correction)功能去解决影像亮度外缘不均的问题。5、运动控制的种类与特性（1）PLC vs. PC Based运动控制以PLC起源较早，而PC-based 的运动控制是近十年的趋势，但是早期使用惯PLC的系统设计者很难快速的由PLC转移到 PC-based 上，主要的原因是硬件的控制架构及编程的逻辑与接口几乎是完全不同，因此至今PLC仍维持一定的使用族群及市占率。 但就实务面上而言，建立一套线性扫描的影像系统它的运动控制究竟是PC-based 还是PLC较为合适，以下讯息可以提供作为参考。1) PLC 架构本身是透串行讯号(RS-232或RS-485)下达运动速度位置等指令，这种架构在作Area-scan 的影像系统搭配上问题不大，但是一旦应用在Line-scan 的影像系统时，由于 Line-scan 对于每条 Line 的触发取像位置要求十分高，再加上Encoder上的讯号都为相位讯号(AB phase)无法直接用来作触发讯号，因此需要使用桥接接口的转换后再将讯号送给影像处理平台，常见有下列几种方式。① 外加一台计算机上面加一片位置比对卡接收Encoder的讯号加以编译。② 在Encoder外面再加一组转换模块转成TTL或LVDS讯号。③ 外挂一台位置比对器(价格贵，少见) 或光学尺。④ 或其它桥接模式。尽管有上述的方式可以去作到位置比对，但是毕竟是透过桥接而取得，因此遇到高速取像时讯号遗失的机会便非常高。2) PC-based 架构是利用运动控制卡送出指令脉冲(Command Pulse)去下达位置及速度，并通过Encoder传回马达的反馈脉冲(Feedback Pulse)，同时可以在行进过程中进行位置比对功能(部份运动控制卡并不具备这类功能)，并且在到位之后送出TTL或LVDS的到位讯号作为外同步偶触发或连续触发讯号去触发Line-scan Camera 取像，由于无需经过桥接接口的转换因此可让Line-scan的每条Line的触发取像同步且正确。6、皮带/线性滑轨/滚珠螺杆另外在运动控制机台的选择上，目前常见的有皮带，线性滑轨及滚珠螺杆这几种基本形式或龙门式综合使用。皮带－不建议使用在Line-scan 的取像主轴上，因为通常皮带Key的间距对Line-scan 而言不够精细且容易有跳格的情形。线性滑轨－在极速运动下或保养不好的状况下容易有失步的情形。滚珠螺杆－有单向背隙(Backlash)的问题，但由于每支滚珠螺杆的背隙通常是固定的(大部份制造厂商会附上背隙规格数据)，因此是属于可计算补偿且不致于影响Line-scan 的位置比对及触发取像。7、光学尺的主要作用一般而言是可以透过位置比对得到马达目前的运行位置，但是任何一组运动控制机台，在经过长时间的运行及磨损下难免会产生机构上的变形误差，因此不论是Area-scan 或 Line-scan 的系统平台，通常只要是系统要求绝对的精度跟重现性时，建议最好在上面加一个光学尺以增加精确度。三、如何得到等比例的线扫描影像在对线性扫描影像组件有了概念之后，接下来要介绍的是实务面上的部份。由于Line-scan Camera 每次感光成像都是只有一条线的FOV，因此必需要透过运动速度下的连续取像才会形成面积影像，也就是说每套线性扫描影像系统它至少是含一轴以上的运动控制才能取像运作。 但是并不是有连续的运动就可以取到正确的影像，通常运动速度要是跟取像频率不一致时则取像出来的结果不是变形再不然就是有些线段数据根本没扫描到而造成数据遗失，因此如何取得正确而且等比例的线性扫描影像，笔者在此提供包括基础测试及整合测试的参考要点。1、基础测试 （1）马达运动控制PC-based的系统大多通过运动控制卡去跟马达驱动器进行沟通进而让马达运转至目标位置，因此在运动控制的基本动作上首要确认运动控制卡所发出的指令脉冲(Command Pulse)必需要跟编码器(Encoder)的回馈脉冲(Feedback Pulse)调整一致，再来便是确认每送出一个 Command Pulse 时实际移动多少距离。实作测试：a.先确定Command Pulse = Feedback Pulseb.送出Command Pulse 之后再量测实际的移动距离，例如：送出 Command Pulse =10，000 实际移动距离为10mm时，则代表1Pulse = 1um，有了这个数据对于后面的Line-scan触发位置就较为准确。（2）Line-scan Camera取像测试由于Line-scan Camera 并不像 Area-scan Camera 有较大的感光面积，因此第一次使用 Line-scan Camera 的使用者都会对于几乎看不到光影成像(特别是把镜头装上去之后)而感到困惑，进而怀疑到底是 Line-scan Camera 没设定好还是坏掉了，有时甚至怀疑是不是影像卡的问题，以下是几个简单的检查方法。a.将Line-scan Camera 接至影像采集卡，利用 Line-scan Camera 厂商提供的设定工具程序 (一般都可以从厂商的网站上下载)，先确定Camera 设为内同步模式之后再利用影像采集卡的取像工具程序(必需要设定选择该款Camera 的设定档案)先试取像，取像时可以不用装镜头而直接将Line-scan Camera 的CCD Sensor 直接面对灯光，正常取到像时可以看到光线的反应。b.另一种方式是利用Line-scan Camera 内建的测试影像(Test Image，或有的称之为Test pattern) 去测试，首先必需要使用Camera的设定工具程序将输出模式改设定为输出Test Pattern，则正常状况下影像采集卡那端就会接收到Test Pattern 的影像。c.当上述方法皆取不到影像且影像卡的取像工具程序显示没有讯号输入时，则有下列几种可能：Camera 接到影像卡的连接端口设定错误，例如明明接到B接头却设定成A接头 Line-scan Camera 电源没接 Camera 的讯号线有问题，请换条线试试 最糟的状况－Camera 有问题需要换另外一台试试d.当然影像卡坏掉的状况也不无可能，但最好是先到系统的硬件管理员下先查看是否是驱动程序没装好，或者是驱动有装了但是还是认不到卡，要是连卡都认不到时请换个PCI插槽或计算机试试，要是还是认不到卡那么就赶快送修。2、整合测试（1）Line-scan Camera 与灯源搭配之取像在确定Line-scan Camera 跟影像卡的取像功能正常之后，接下来的动作则是要把Line-scan Camera 架起来至机台的预定工作距离的位置，之后把辅助灯源架上去(建议机构设计上预留可以调整位置及角度的弹性)，确定光源的投射位置可以让Line-scan Camera 的CCD Sensor 感光(注意： 线性灯源的方向性应与Linear CCD 呈水平)，然后放一张白色纸张在待测区再作一次取像测试，这个动作主要是要先确定光源的架设位置及角度是否正确，白色纸张可以辅助确认光源的均匀度。

关于Camera 的架设位置，有些系统设计者会考虑让待测体固定位置不动，反而让Line-scan Camera 固定在可以运动的轴承或机械手臂上，关于这点笔者建议最好还是Camera 固定不动由待测体移动位置去作成像检测，主要的原因在于当Camera 处于运动的状态下，其加减速的震动可能会让取出来的影像模糊失焦。(end)

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