CCD運動物體在線檢測原理

　　1 引言

　　對產(chǎn)品進行視覺在線的檢測、分選在現(xiàn)在的大規(guī)模加工和檢測環(huán)節(jié)都扮演著相當關(guān)鍵的作用。越來越多的生產(chǎn)或測封廠家為了加大自身的市場競爭力，利用視覺設備的在線檢測由于其在速度、可靠性和整體成本上的優(yōu)勢，以往的大工作量的人工檢測越來越多的被取代。對于運動物體的拍照的本質(zhì)需要就是需要在一個很短的時間內(nèi)判斷運動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，才能有效的進行視覺檢測。上面的所有的關(guān)鍵詞所代表的動作或方法都是為了實現(xiàn)對外界事件進行快速響應并在極短的時間內(nèi)完成圖像獲取，一個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量手段的重要性。

　　2 在線檢測技術(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在很短的一個時間段內(nèi)收集需要的光，避免光積分時間內(nèi)物體運動過大造成圖像模糊或拖影，它們所改變的是同樣一個量，都是將在一個時間段光子在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別數(shù)值的曝光時間(比如1/60s，1/120s，1/1000s，up to 1/10000s，很多相機支持更短的快門時間，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間可以在實際系統(tǒng)程序中能夠在一個連續(xù)的范圍內(nèi)根據(jù)場景動態(tài)改變，而且更有利于高速應用場合。

　　2.2 逐行掃描和場模式

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

　　2.3 頻閃照明和觸發(fā)

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

　　觸發(fā)后相機總會有個響應時間，這個時間對于高速運動的物體最好能夠精確控制，普通的面陣相機(沒有異步觸發(fā))總是等一幀掃描完，對于n制式的相機來說這個觸發(fā)響應時間就會至少有0~33ms之間的不確定時間，如果采集卡尋找同步點的時間再長一點，這個不確定的時間長度又增加了，這段時間內(nèi)物體有可能已經(jīng)運動出了視場區(qū)域。為了加快相機的響應速度，就出現(xiàn)了異步復位功能，靠采集卡給相機施加外部時鐘，如果是行異步方式，相機被觸發(fā)后在下一個水平驅(qū)動脈沖(hd)立刻回起點進行掃描;如果是像素異步方式，ccd在觸發(fā)后的下一個像素時鐘就立刻從頭掃描，這樣可以更加迅速響應來獲取觸發(fā)瞬間的圖像。

　　3 在線檢測方案比較

　　在實際應用過程，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)，場模式或逐行掃描被認為是默認配置)。

　　3.1 定速頻閃曝光

　　比較常用也是相對簡單的方法就是不改變曝光速度(20ms/field，ccir)，當被測物體物體達到時，由傳感裝置觸發(fā)頻閃光源，閃光時間根據(jù)被測物體運動速度決定。一個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間獲得足夠的亮度，對于相鄰被測對像間隔時間長的測量/檢測也可以達到節(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，也可以增大相機的增益。用高速快門的一個很大優(yōu)點就是能排除環(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，而且可以短時間獲得足夠的光能，更重要的是更適合于對運動物體進行高速采集的需要。有一點很重要也是不好操作的一點就是當快門時時間很短時，要讓頻閃先被觸發(fā)，當光亮度最大時ccd開始積分，這個間隔時間通過硬件或軟件的手段都可以進行調(diào)整。

　　第3種方案是一種比較有代表性的中/高速運動物體在線視覺測量的一種方案，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示，在實際應用中采用了costar的逐行掃描ccd相機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)

　　傳送帶上的物體運動到傳感器(光電或磁等)的作用區(qū)域，會產(chǎn)生一個脈沖指示運動物體到達，這個脈沖一方面用來觸發(fā)頻閃發(fā)生器，讓它帶動led閃光，另一方面觸發(fā)采集卡的光偶輸入端，它立刻產(chǎn)生一個觸發(fā)信號來相機復位，接著會從相機接收vsync(wen)和視頻信號。這里觸發(fā)頻閃的脈沖來自傳感器，實際相機和采集卡都有用來觸發(fā)頻閃的輸出端，可以根據(jù)需要應用的方便進行連接。

　　4 注意事項

　　觸發(fā)過程有一點需要注意的是：在普通是觸發(fā)模式下，當觸發(fā)后當前楨開始曝光和傳輸，當這個過程沒有完成時采集卡會忽略外部的觸發(fā)脈沖，因此，要保證所有需要的(觸發(fā)點)圖像被捕獲，就得保證兩個觸發(fā)脈沖間的間隔時間大于一楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r間和。在異步觸發(fā)模式下，如果脈沖間隔時間短于一楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r間和，不同的相機可能會有不同的動作，一部分相機會同普通觸發(fā)模式下相同，完成一楨的動作后才可以接收觸發(fā)脈沖，而另一部分相機則會取消當前楨的動作，從新開始曝光，因此要獲得所有需要的圖像，同樣應該保證觸發(fā)脈沖間隔時間大于單楨圖像完成曝光與傳輸?shù)臅r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間和閃光時間的交集就是實際成像所利用的時間，具體方法的采用得考慮應用對象、環(huán)境以及成本要求等諸多因素。觸發(fā)機制從原理上容易去描述，在實際的工業(yè)現(xiàn)場應用中它卻常常被證明是引起問題的部分。這主要因為觸發(fā)機制沒有標準化，不同公司的相機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。通過簡單接線或模擬電路接收傳感器的信號然后發(fā)送給采集卡、相機或頻閃發(fā)生器的觸發(fā)輸入端，很容易有噪聲信號產(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。