PC-based架构的线扫描影像检测系统

 机械视觉应用在各种产业的生产制造及品质检测已是深入人心。利用机械视觉可以提升检测精度或加速生产速度，因此逐渐变成许多生产检测设备必备的一环。 目前市面上的影像检测系统大多采用面扫描(Area-scan)的摄影机进行影像的采集及分析, 但是随着产品尺寸的加大(例如PCB, LCD面板, 晶圆), 在提高产能及精度的要求下, 面扫描摄影机的分辨率及取像速度开始无法满足这些要求, 而人们也开始意识到线扫描(Line-scan)摄影机的分辨率及取像速度才能满足这些产业需求。

但是线扫描的检测系统必需利用运动速度才能取得面积影像，这与面扫描的影像检测系统只要单纯的曝光即可取得面积影像的工作原理是完全不同的。因此对于许多原本熟知面扫描影像检测系统的设计者而言，要跨入线扫描影像检测系统，除了要了解线扫描系统的工作原理及如何选择主要组件外，最重要也是最基本的是如何得到正确且等比例的线扫描影像。

线扫描影像检测系统架构及主要组件

目前线扫描系统架构除了控制的主机系统及机构外, 主要组件分为视觉及运动控制两大类组件。视觉组件主要包括：线性扫描摄影机, 镜头(Lens), 灯源(Lighting), 影像采集卡(Frame Grabber)；运动控制的部份则可能包括：马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC, 有时会搭配传感器(Sensor)或位置比对器作对象到位侦测辅助。

（1）线扫描摄影机(Line-scan Camera)
目前市面上的 Line-scan Camera 分辨率从 512, 1024,2048, 4096, 8192,至12288像素(pixels)都有,通常刚开始接触线扫描系统的使用者在挑选 Line-scan Camera 时, 大多只注意到分辨率是否能够符合系统的目标精度需求, 而忽略了Line-scan Camera 本身的接口规格会影响影像采集卡的选择性, 另外Camera的设计特性究竟适不适合系统的需求, Line-scan Camera 的扫描频率(Line-Rate)的计算方式以及为什么有些Line-scan Camera扫描的速度可以提升4倍甚至是8倍?

（2）影像采集卡的选择
Line-scan Camera 由于取像数据量大，因此多为数字式。目前影像采集卡主要就是以DSP架构跟非DSP架构两大主流。虽然DSP架构可以做影像前处理并节省系统时间, 但由于影像卡厂商大多不开放给使用者自行更改, 故在价格及功能弹性上的考虑而言，国内市场使用者还是以非DSP架构居多。此外, 在选择影像卡时系统取像的最大可能数据量及数据接口也是考虑因素的一部份。

（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)光源用在线性扫描(Line-scan)上, 线性扫描应该选用交流电(DC Power)光源作为辅助。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要注意：光源的色温、光源的均匀度、灯源的生命周期、光源的架设位置等。

（4）镜头的选择
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)。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 镜头多样化，同时价格上较高。

（5）运动控制的种类与特性
－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完全不同。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？

PLC 架构本身是通过串行讯号(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，需要使用桥接接口的转换后再将讯号送给影像处理平台，因此遇到高速取像时讯号遗失的机会便非常高；PC-based 架构是利用运动控制卡送出指令脉冲去下达位置及速度, 并通过编码器传回马达的反馈脉冲，同时可以在行进过程中进行位置比对功能，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。[page]

如何得到等比例的线扫描影像

由于Line-scan Camera 每次感光成像都是只有一条线的FOV, 因此必需通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1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, 通常运动速度如果跟取像频率不一致，则取像出来的结果不是变形就是有些线段数据根本没扫描到, 因此对于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

PC-based的系统大多通过运动控制卡控制马达驱动器，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必需要跟编码器的回馈脉冲调整一致,。

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。

－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, 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。

－另一种方式是利用Line-scan Camera 内建的测试影像去测试。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。

－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；Camera 有问题。

－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,或者是驱动装了但认不到卡, 要是连卡都认不到时请换个PCI插槽或计算机试试。

（2）整合测试

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。

确定Line-scan Camera 跟灯源的架设位置可以取到均匀的影像后, 接下来即可开始结合运动控制测试连续取像, 这个动作最重要的部份在于而确定Line-scan 的Line Rate跟运动速度之间的关系, 过快或过慢的运动速度都会造成取出来的影像变形, 因此要确定最佳移动速度才可以得到不变形的影像, 如何知道该下多少Command Pulse 是最佳移动速度可通过公式计算出来。

Line-scan 影像卡的取像模式分为WEB及PAGE两种, 通常Line-scan 取像可以确定水平的FOV, 假若已知待测体面积，便可使用PAGE模式取像, 但是假若无法预知待测体的尺寸面积情况下(例如纺织品, 纸张, 胶卷/底片)则需使用WEB模式取像。

透过上述的整合测试，可以让Line-scan系统作正常的取像运行, 但是，系统的校调还是绝对必需的。 而系统的校调是可以通过一些辅助工具去完成, 但是要重现最佳的检测精度还是必需靠系统设计者的重复验证去决定最佳的校调顺序与方法。(end)