线扫描机器视觉系统的工作原理

 

目前市场上共有两种类型的采集方法可用于采集物体的图像：面阵扫描和线扫描。最常见的2D机器视觉系统使用面阵扫描相机，此类相机在采集图像时需要曝光完整的像素矩阵。相比之下，线扫描相机包含单行像素，其通过逐个像素线构建最终的2D图像。

构建线扫描图像需要相机与物体之间保持相对运动，通常为沿着输送带或旋转轴运动。当物体移动经过相机面前时，相机将采集一个新的像素线。

视觉处理器或图像采集卡上的软件将存储每个像素线，然后将像素数据重新构建为最终的2D图像。这种独特的图像采集过程擅长于采集输送带上快速移动的离散元件的图像，检测柱形物体的所有侧面，以及构建超大物体的图像。

文件扫描仪、复印机和传真机等将文件扫描到存储器中的商用设备采用线扫描技术，制造和物流领域的生产线和分销线也是如此，它们依靠这种特殊技术快速采集高分辨率图像，用于执行复杂元件的检测。

面阵扫描相机照亮物体，并采集所有曝光的像素以构建图像。相比之下，线扫描相机点亮并逐个线条采集像素。

由于线扫描成像仪可提供500-8,000像素/线条的分辨率，有些甚至能够跟上67,000个线条/秒的高速线条采集速率，最新一代线扫描相机可提供以前需要一组高分辨率视觉成像仪才能解决的应用所需的所有性能。

这些属性使线扫描相机成为了在连续或离散“卷筒”表面检测应用中采集目标物体图像的理想选择，比如塑料、织物、金属或纸张。

线扫描相机还可以“展开”柱形物体，以采集它们的整个表面区域。同时，此技术还适用于一些需要高分辨率成像以实现精确测量和缺陷检测的较大物体，比如平板显示器、太阳能电池和汽车零部件。

由于线扫描系统只需查看目标物体的一小部分来采集每个线条，它们无需目标物体提供较大的无遮挡视场。出于此原因，它们非常适用于视场或安装空间有限的装置。

系统组件

线扫描视觉系统可以配置线扫描相机和运行机器视觉软件的PC或视觉控制器，或者作为嵌入式系统提供，其中相机和软件包含在一个封装中。这两种设置的组件拥有许多共同的元素。跟所有机器视觉系统一样，选择正确的镜头、光源和触发装置对任何线扫描应用的成功都至关重要。

编码器

编码器将输送带的线性运动传递给线扫描相机，指示何时采集图像的下一个线条。在许多应用中，要保证运动物体的持续、稳定运动是很困难的，特别是在装配线速度提升或下降过程中。速度变化会影响所采集图像的高宽比。

举例来说，线扫描相机可能会过快地采集线条，导致线条重复采集和图像拉伸。如果相机采集线条速度过慢，它则可能会跳过一些线条，导致图像变得更稀薄。为了保持恒定的高宽比，并且允许速度波动，仅当行进的距离等于所定义的值，通常为所投影像素的长度时，编码器才会指示相机采集线条。

编码器通常安装在轴上，提供信号以指示运动。有些编码器会产生两个单独的信号（A和B），基于这些信号可以检测到线条方向以及与运动相关的更细粒度信息。线扫描系统可与硬件（基于运动）编码器或软件（基于时间并根据运动计算）编码器结合使用。

光源

线扫描相机采集一行像素时仅需一条光线。这意味着不同于面阵扫描相机，线扫描相机不需要将元件均匀照亮。强烈、无波动且高度聚焦的“线”型照明最适合线扫描应用，由于采集速度较快（通常每个线条只需数微秒时间），这也需要较高强度的光线。线性光源与相机对位，以最大限度地增加通常始终开启而非频闪光线的强度。

镜头

镜头的光学质量各不相同，并最终确定所采集图像的分辨率。选择高质量的镜头非常重要，以确保充分利用线扫描相机的像素大小。使用正确的镜头将有助于系统采集最佳图像，以执行高度复杂的检测。

触发器

触发装置指示相机何时开始采集像素。线扫描系统可以使用直接连接至相机的硬件触发器或者通过工厂车间工业协议或PC连接的软件触发器。

线扫描相机能够:

展开柱形物体以检测标签 检测印刷、金属和塑料缺陷及瑕疵 提供较长或卷轴上产品/元件的 100%检测 提供高分辨率图像以实现准确测量 确保采样的一致性 支持高速元件扫描  

相比面阵扫描系统，线扫描系统拥有特定的优势:

无固定尺寸: 有些线扫描相机可以将所采集图像的长度调整为无限长。这使得在某些情况下可以在帧之间创建无间隙的连续图像。 高分辨率: 线扫描图像达到80兆字节或以上像素数据的情况并不少见。 更短的曝光时间: 面阵扫描相机通常比线扫描相机需要更长的曝光时间。   为什么要选择线扫描相机技术？

无论是食品和饮料、电子产品还是包装和物流应用，线扫描相机技术都可以帮助制造商采集对于面阵扫描相机而言具有挑战性的快速移动、大型和柱形物体的高分辨率图像。

展开柱形物体以进行检测

检测圆形或柱形元件时，可能需要多台面阵扫描相机才能覆盖整个元件表面。当柱形物体在轴上旋转时，线扫描相机可以创建该物体的2D“展开”图像。这消除了特殊夹具以及用于在不同的坐标空间将多个图像拼接在一起的复杂算法的需要。此功能在检测物体、灌装液位、标签和安全密封垫的尺寸和均匀性时十分有用。

向空间有限的应用环境添加视觉

由于线扫描相机在构建图像时每次仅采集单个像素线条，它只需在物体快速移动时查看物体的一小部分便可。此属性使线扫描相机非常适用于视场或空间有限（比如电子产品和医药行业）或者相机需要透过输送带上的滚轴查看元件底部的应用。

以低成本采集高分辨率图像

线扫描系统通常还能够比传统面阵扫描相机提供更高的分辨率。高分辨率检测在大多数科技型行业中至关重要。相比面阵扫描相机，配备适当成像仪的线扫描相机能够以低得多的成本创建超大的图像。出于此原因，运动中的线扫描相机是高分辨率面阵扫描相机切实可行的替代解决方案。

检测卷筒表面

由于线扫描系统构建图像时需要元件处于运动状态，它们通常非常适用于产品处于运动中的应用，比如高速包装线和输送带上的产品检测。这使得执行较长表面（或者“卷筒”）的检测以及代码和文本的验证变得很容易。使用面阵扫描相机时将需要进行额外的处理，以调整帧重叠、复杂的图像拼接和硬件同步化等问题。有些线扫描相机型号可以在帧之间获取一连串的连续（即无间隙）图像，而有些线扫描相机型号在采集图像时则需要几个线条之间保持最小的间隙。用于执行离散或连续检测的线扫描相机型号可以采集尺寸随机分布元件的图像，图像之间无较大的空白区。

编辑：黄飞