CCD運(yùn)動(dòng)物體在線檢測(cè)原理

　　1 引言

　　對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行視覺在線的檢測(cè)、分選在現(xiàn)在的大規(guī)模加工和檢測(cè)環(huán)節(jié)都扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。越來越多的生產(chǎn)或測(cè)封廠家為了加大自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，利用視覺設(shè)備的在線檢測(cè)由于其在速度、可靠性和整體成本上的優(yōu)勢(shì)，以往的大工作量的人工檢測(cè)越來越多的被取代。對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的拍照的本質(zhì)需要就是需要在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)判斷運(yùn)動(dòng)物體的位置并完成瞬間圖像的捕獲，只有捕獲了所需要的瞬間位置的清晰圖像，才能有效的進(jìn)行視覺檢測(cè)。上面的所有的關(guān)鍵詞所代表的動(dòng)作或方法都是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外界事件進(jìn)行快速響應(yīng)并在極短的時(shí)間內(nèi)完成圖像獲取，一個(gè)短暫的過程卻引入了如此多的名詞，從某種意義說明了方法的多樣性，也一定意義說明了這種測(cè)量手段的重要性。

　　2 在線檢測(cè)技術(shù)原理

　　2.1 高速的電子快門和可編程積分控制

　　高速的電子快門和可編程積分控制的作用都是讓相機(jī)在很短的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)收集需要的光，避免光積分時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)過大造成圖像模糊或拖影，它們所改變的是同樣一個(gè)量，都是將在一個(gè)時(shí)間段光子在ccd成像區(qū)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到遮擋面的電荷存儲(chǔ)區(qū)域。只不過前者以硬件跳線的形式提供給用戶，用戶只能夠獲得一些個(gè)別數(shù)值的曝光時(shí)間(比如1/60s，1/120s，1/1000s，up to 1/10000s，很多相機(jī)支持更短的快門時(shí)間，但常常不作為通用開關(guān)放在后面板而是放在ccd內(nèi)部)，后者則是把硬件曝光時(shí)間以軟件接口的形式提供給了用戶，這樣做不是追求形式，它的更大意義在于快門時(shí)間可以在實(shí)際系統(tǒng)程序中能夠在一個(gè)連續(xù)的范圍內(nèi)根據(jù)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)改變，而且更有利于高速應(yīng)用場(chǎng)合。

　　2.2 逐行掃描和場(chǎng)模式

　　逐行掃描和場(chǎng)模式都是為了避免普通隔行掃描相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體拍照時(shí)出現(xiàn)的奇偶錯(cuò)楨(又稱梳形圖comb)。普通標(biāo)準(zhǔn)視頻制式(ntsc/pal/ccir/rs170)的模擬ccd相機(jī)(稱為隔行或交織interlace相機(jī))都是以楨模式掃描，每場(chǎng)都是相隔一行的像素被掃描出去。奇數(shù)場(chǎng)從第一行開始讀出，偶數(shù)場(chǎng)從第二行開始讀出，每場(chǎng)讀出為1/60s，奇偶場(chǎng)在垂直同步信號(hào)的幫助下形成全楨，適合于長(zhǎng)時(shí)間積分或非運(yùn)動(dòng)物體的圖像獲取場(chǎng)合。由于同一楨中的兩場(chǎng)圖像不是在同一時(shí)間積分，捕獲的高速運(yùn)動(dòng)物體圖像必然會(huì)像百葉窗一樣。為了避免這種情況人們?cè)O(shè)計(jì)了逐行掃描(非標(biāo)準(zhǔn))以及場(chǎng)模式(可做標(biāo)準(zhǔn)輸出)，逐行掃描就像它名字所說的一行一行順序進(jìn)行掃描，場(chǎng)模式下總是相鄰的兩線被合并之后掃出，奇數(shù)數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)間有一線的偏移。場(chǎng)模式下的靈敏度是每場(chǎng)的掃描(1/60s)的2倍，但垂直分辨率只有全楨模式的一半。用普通的隔行相機(jī)在要求不高的場(chǎng)合也可以做運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)，只需要在圖像中只提取半楨進(jìn)行處理。

　　2.3 頻閃照明和觸發(fā)

　　頻閃照明是運(yùn)動(dòng)采集中常見的手段，通常由頻閃控制器控制閃光時(shí)間通常10ns~100us，頻閃led通常有10ns以下的響應(yīng)時(shí)間，因此與為了和曝光時(shí)間配合，讓閃光最亮?xí)r能夠采光，需要調(diào)整觸發(fā)相機(jī)快門與頻閃器之間的間隔時(shí)間，直到配合最佳。

　　觸發(fā)后相機(jī)總會(huì)有個(gè)響應(yīng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體最好能夠精確控制，普通的面陣相機(jī)(沒有異步觸發(fā))總是等一幀掃描完，對(duì)于n制式的相機(jī)來說這個(gè)觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間就會(huì)至少有0~33ms之間的不確定時(shí)間，如果采集卡尋找同步點(diǎn)的時(shí)間再長(zhǎng)一點(diǎn)，這個(gè)不確定的時(shí)間長(zhǎng)度又增加了，這段時(shí)間內(nèi)物體有可能已經(jīng)運(yùn)動(dòng)出了視場(chǎng)區(qū)域。為了加快相機(jī)的響應(yīng)速度，就出現(xiàn)了異步復(fù)位功能，靠采集卡給相機(jī)施加外部時(shí)鐘，如果是行異步方式，相機(jī)被觸發(fā)后在下一個(gè)水平驅(qū)動(dòng)脈沖(hd)立刻回起點(diǎn)進(jìn)行掃描;如果是像素異步方式，ccd在觸發(fā)后的下一個(gè)像素時(shí)鐘就立刻從頭掃描，這樣可以更加迅速響應(yīng)來獲取觸發(fā)瞬間的圖像。

　　3 在線檢測(cè)方案比較

　　在實(shí)際應(yīng)用過程，通常有以下幾種比較常見的組合模式(注：以下所說的電子快門包含了可編程積分控制，異步觸發(fā)，場(chǎng)模式或逐行掃描被認(rèn)為是默認(rèn)配置)。

　　3.1 定速頻閃曝光

　　比較常用也是相對(duì)簡(jiǎn)單的方法就是不改變曝光速度(20ms/field，ccir)，當(dāng)被測(cè)物體物體達(dá)到時(shí)，由傳感裝置觸發(fā)頻閃光源，閃光時(shí)間根據(jù)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)速度決定。一個(gè)短脈沖的頻閃光有助于“凝固”圖像，而且頻閃光通常能夠在短時(shí)間獲得足夠的亮度，對(duì)于相鄰被測(cè)對(duì)像間隔時(shí)間長(zhǎng)的測(cè)量/檢測(cè)也可以達(dá)到節(jié)能增加光源壽命的作用。這種方法的最大局限就是要求沒有環(huán)境光的干擾。

　　3.2 高速快門曝光

　　單單靠高速快門而不加頻閃光是另一種比較常用的方法。高速快門一定要保證進(jìn)入的光足夠，通常需要用很高亮度的光源，高速的鏡頭(高數(shù)值孔徑)，光圈調(diào)至最大，也可以增大相機(jī)的增益。用高速快門的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)就是能排除環(huán)境光的干擾。

　　3.3 綜合法

　　上面的兩種方法聯(lián)合起來應(yīng)用，不僅能在高速拍照過程中減少環(huán)境光的干擾，而且可以短時(shí)間獲得足夠的光能，更重要的是更適合于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行高速采集的需要。有一點(diǎn)很重要也是不好操作的一點(diǎn)就是當(dāng)快門時(shí)時(shí)間很短時(shí)，要讓頻閃先被觸發(fā)，當(dāng)光亮度最大時(shí)ccd開始積分，這個(gè)間隔時(shí)間通過硬件或軟件的手段都可以進(jìn)行調(diào)整。

　　第3種方案是一種比較有代表性的中/高速運(yùn)動(dòng)物體在線視覺測(cè)量的一種方案，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示，在實(shí)際應(yīng)用中采用了costar的逐行掃描ccd相機(jī)si-m310和matrox　meteor ii/mc卡以及ose的頻閃發(fā)生器與led光源。

　　圖1 綜合法系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

　　傳送帶上的物體運(yùn)動(dòng)到傳感器(光電或磁等)的作用區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖指示運(yùn)動(dòng)物體到達(dá)，這個(gè)脈沖一方面用來觸發(fā)頻閃發(fā)生器，讓它帶動(dòng)led閃光，另一方面觸發(fā)采集卡的光偶輸入端，它立刻產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來相機(jī)復(fù)位，接著會(huì)從相機(jī)接收vsync(wen)和視頻信號(hào)。這里觸發(fā)頻閃的脈沖來自傳感器，實(shí)際相機(jī)和采集卡都有用來觸發(fā)頻閃的輸出端，可以根據(jù)需要應(yīng)用的方便進(jìn)行連接。

　　4 注意事項(xiàng)

　　觸發(fā)過程有一點(diǎn)需要注意的是：在普通是觸發(fā)模式下，當(dāng)觸發(fā)后當(dāng)前楨開始曝光和傳輸，當(dāng)這個(gè)過程沒有完成時(shí)采集卡會(huì)忽略外部的觸發(fā)脈沖，因此，要保證所有需要的(觸發(fā)點(diǎn))圖像被捕獲，就得保證兩個(gè)觸發(fā)脈沖間的間隔時(shí)間大于一楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r(shí)間和。在異步觸發(fā)模式下，如果脈沖間隔時(shí)間短于一楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r(shí)間和，不同的相機(jī)可能會(huì)有不同的動(dòng)作，一部分相機(jī)會(huì)同普通觸發(fā)模式下相同，完成一楨的動(dòng)作后才可以接收觸發(fā)脈沖，而另一部分相機(jī)則會(huì)取消當(dāng)前楨的動(dòng)作，從新開始曝光，因此要獲得所有需要的圖像，同樣應(yīng)該保證觸發(fā)脈沖間隔時(shí)間大于單楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r(shí)間和。

　　5 結(jié)束語

　　從上面三種組合方式我們很容易看出曝光時(shí)間和閃光時(shí)間的交集就是實(shí)際成像所利用的時(shí)間，具體方法的采用得考慮應(yīng)用對(duì)象、環(huán)境以及成本要求等諸多因素。觸發(fā)機(jī)制從原理上容易去描述，在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中它卻常常被證明是引起問題的部分。這主要因?yàn)橛|發(fā)機(jī)制沒有標(biāo)準(zhǔn)化，不同公司的相機(jī)和采集卡往往都擁有不同的硬件結(jié)構(gòu)和電壓定義，常常就同一種方法的稱謂都是各說各話，很容易讓人混淆這些概念。通過簡(jiǎn)單接線或模擬電路接收傳感器的信號(hào)然后發(fā)送給采集卡、相機(jī)或頻閃發(fā)生器的觸發(fā)輸入端，很容易有噪聲信號(hào)產(chǎn)生，要獲得穩(wěn)定的視覺系統(tǒng)就必須有穩(wěn)定干凈的觸發(fā)源。