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谈PS-based架构的线扫描影像检测系统(上)

作者：凌华科技黄卿铭

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一、前言

机械视觉应用在各种产业的生产制造及品质检测已是行之有年，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无法满足这些要求的事实开始浮上枱面，而系统业者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时势所驱的产业需求。

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。这跟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。

二、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主轴。

视觉主要组件包括：线性扫描(Line-scan)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。

就控制主机系统来说除了运动控制外，主要的工作内容在于影像数据的采集及运算，而这部份已经占据系统绝大部份的资源及运算能力，就目前市面上的线扫描影像检测系统而言，许多大型线扫描系统甚至是一台系统机去专门处理一台高解析线扫描摄影机采集的数据量，以满足客户对整个系统检测运算的时间及精度需求。当然这只是其中一种应用架构上的规划方式，在线扫描可以应用的检测范围日益广泛的趋势下，各种应用对于系统的规划以及主要组件的挑选都会有所差异，因此笔者针对目前市面上的线扫描主要组件以及如何取到正确且等比例的线扫描影像概略的作了些整理，提供有兴趣或刚开始接触线性扫描系统的使用者作为参考。

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四倍甚至是八倍? 以下是笔者略作整理的资料

（1）数据接口

目前数字工业摄影机及影像采集卡的数据接口标准包括：RS-422，RS-644或称LVDS (Low Voltage Differential Signaling)，Channel Link 及Camera Link 这几种。

① RS-422 及RS-644(LVDS)的接口出现的较早，由于数据格式的特性讯号的接口接头通常是68pin 或 100pin 的高密度接头，但因为摄影机厂商定义的讯号接脚不尽相同而影像卡厂商各家的定义也不太一样，因此在选择好 Camera 及影像卡之后一般也不太会想要轻易去变更(想想看要去接68pin 或 100pin 的讯号线，换个可能就代表讯号线要重作或要再作个讯号转接板才行)。

② Channel Link 的接口原本是用来作数字平面显示器数据传输的标准(本身讯号格式也是LVDS)，特性在于接口接脚减少了但是仍然可以传输大量的数字数据，而它其实也就是Camera Link 标准的前身，因此数据格式也就与Camera Link 兼容，差异在于由于当时并未定义出标准接头形式，因此各家厂商仍采用不同型式的接头接口，讯号线仍然必需定制。

③ Camera Link 的标准是由数家工业摄影机及影像卡大厂共同制定出来的，标准的本身是基于Channel Link 的特性，并定义出标准的接头也就是讯号线也标准化了，让Camera及影像卡的讯号传输更简单化了，同时定义出基本架构(Base Configuration)，中阶架构(Medium Configuration)，及完整架构(Full Configuration) 的讯号接脚规范以及传输数据量。

（2）Line-scan Camera 的数据输出形式

目前的Line-scan Camera 撇开分辨率不谈，通常Line-scan Camera 本身的数据产生频率都不会大于60MHz，也许你会怀疑那么为什么有的机种可以到80MHz，160MHz甚至是320MHz呢? 其主要的原理是利用多重输出的方式去加速取像速度，目前市面上一般的 Line-scan Camera 输出方式有单输出(Single Tap)，双输出(Dual Taps)，三输出(Triple Taps)，四输出(Quad Taps)及八输出(Octal Taps) 这几种。

① 单输出 (Single Tap)

通常是在低解析或低速的 Line-scan Camera 上的设计，它的特性是整个线性CCD的每个光电二极管在感光后即将光转成电荷讯号通过单一输出将数据传递出去。

Line Rate = Camera Data Clock / Camera Pixels

② 双输出 (Dual Taps)-奇偶输出

通常是在高解析或为了提高Line-scan Camera 传输速度的设计，它的特性是整个线性CCD的每个光电二极管在感光后分成奇数及偶数将光转成电荷讯号分成两组将数据传递出去。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 2

要是不小心设定成单输出时的影像，就会如同右下图所示影像会有垂直的空隙，影像在放大时便会发现 pixel 跟 pixel 中间的黑色影像，其实数据都是空的。

③ 双输出 (Dual Taps)-前后段输出

设计目的与上面的双输出是大致相同的，主要差异在于它是将整个线性CCD的每个光电二极管在感光后分成前半段及后半段，将光转成电荷讯号分成两组将数据传递出去。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 2

要是不小心设定成单输出时的影像，就会如同右下图所示影像只有一半，另一半变成黑色资料都是空的

④ 三输出 (Triple Taps)

通常是用在R，G，B 三CCD 的 Line-scan Camera，棱镜会依据光谱的波长特性(红光波长最长，再来是绿光，再来是蓝光)而分别将光线投射至红，绿，蓝三组CCD，而每个CCD 也将会各别将光转成电荷讯号作输出。

虽然3 CCD各别有独立的 Data Clock，但是因为必需要R，G，B 的数据组合在一起才会变成线性的彩色影像，所以实际速度并没有因为每个CCD 有独立的 Data Clock而加快。

Line Rate = 3 x Camera Data Clock / Camera Pixels / 3

⑤ 四输出 (Quad Taps)

通常是在高解析或为了提高Line-scan Camera 传输速度的设计，结合了双输出的奇偶输出加上前后段输出的特性分成四组，让取像速度加快变成四倍。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 4

⑥ 八输出 (Octal Taps)

目前这类的设计是出现在超高分辨率(例如：12288pixel)的机种上，除了分出前后段，而且各分出四组输出，因此取像速度可以提高成八倍而不会因为分辨率很高而让线周期(Line Period) 拖太长。

Line Rate = (Camera Data Clock / Camera Pixels) x 8

另外市面上还有一种 TDI (Timing Delay Integration) 型式的Line-scan Camera，大致工作原理如下：

TDI Line-scan Camera

它的CCD 结构上较为特殊，并非是单排的光电二极管而是96排的光电二极管下去一起感光作用，也就是同样的一次曝光时间下，它会累积 96排光电二极管的光量去转换成电荷讯号之后再传输出去，由于累积的亮度较一般Line-scan camera 来得高，故较适合应用在光线较暗无法提供充足亮度的系统上。

但是这种TDI 的型式十分注重取像频率及运动速度的一致性，要是运动速度不稳的状况下取像出来会有模糊的情形。

（3）Line-scan Camera 的同步及曝光模式

目前Line-scan Camera 具备了下列内同步及外同步的取像模式。

Free Run Mode－通常又称内同步(Synchronization Mode)模式，摄影机厂商在出厂时都会设定为此模式因此又有人称之为Factory Mode，这种同步模式是依照Camera 本身内部产生的时序去作曝光取像，因此这种同步模式运作下影像卡无法主导Camera取像的时间点，因此影像卡是处于被动接收数据的角色。而内同步模式取像的曝光模式又可以分为 Edge-controlled Mode 及 Programmable Mode。

a. Free Run，Edge-controlled Mode

曝光时间与线周期时间相等，由一组内部控制讯号产生一个上升方波作为开始曝光取像讯号，直到下一条线周期的上升方波讯号进来时便将影像送出。

b. Free Run，Programmable Mode

在内部控制讯号产生一个方波，当方波下降时即开始作曝光取像，此为缩短曝光时间的模式(一般可以透过Camera 设定工具达成)，但是线周期时间还是维持不变。

ExSync. Mode－即是所谓的外同步(External Synchronization Mode)模式，Camera 本身并不会主动产生时序去作曝光取像，而是通过影像卡传送Reset讯号去通知Camera作曝光取像，外同步模式取像的曝光模式又可分为Edge-controlled Mode，Level-controlled Mode及Programmable Mode。

a. ExSync.，Edge-controlled Mode

由外部送来的讯号作为同步触发讯号，主要是取上升方波作为开始曝光取像讯号，由外同步讯号的周期时间决定曝光取像时间及线周期。

b. ExSync.，Level-controlled Mode

由外部送来的讯号作为同步触发讯号，主要是取方波下降时作为开始曝光取像，但整个线周期时间还是由外同步讯号周期时间决定。

c. ExSync.，Programmable Mode

由外部送来的讯号作为同步触发讯号，但此上升方波仅作为开始曝光的决定讯号，曝光时间长短可由使用者设定，同时此设定的曝光时间也决定线周期时间。

（4）Line-scan Camera 的扫描频率计算方式

Line-scan Camera 的扫描频率的计算方式如下，主要是Camera 的数据产生频率(Data Clock)及分辨率的对应关系。

扫描频率(Line Rate) = Camera数据产生频率 / Camera 分辨率Ex. Line Rate = 40MHz / 8192 pixels ≒ 4.8KHz (有时厂商订的规格数据会比计算量低，但还是需以厂商订定为准)。

也就是说这台Camera 最高速度可以每秒取得大约4800条 8192 pixels 的线性影像数据，线周期(Line Period) = 1/ Line Rate，也就是上述规格的摄影机每扫描一条线至少需要花费208us左右。

（5）如何计算线性扫描(Line-scan)摄影机的可视范围(FOV，Field of View)

可视范围(FOV) = Pixel cell size x 多少个 pixels x 工作距离 / 镜头焦距(Focal Length)。

Ex. FOV = 10um x 2048pixels x 160mm / 55mm =59.578mm。

Line-scan Camera 由于CCD sensor 的制程不一样或分辨率不一样，因此每颗CCD上的光电二极管(Photodiode) 也就是所谓的每个pixel 的尺寸大小不一定相同，也就是说就算是同样选择 2048 pixels的Line-scan Camera，假若 A公司用的 CCD Sensor 的 Pixel cell 的尺寸为 10um，但 B公司用的 CCD Sensor 的 pixel cell 为 7um，那么就算是同样的工作距离及同样的 Focal Length 条件下，两家公司的Camera FOV仍然是不相等。

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。 DSP架构的影像采集卡一般价格较高，但是通常它在取得影像之后即可通过DSP先行将影像作前处理(例如：白平衡，转换对照表(LUT，Look-up Table)，滤镜(Filter)处理，遮光校正(Shading Correction)，甚至是扫描延迟补偿(Scan-delay compensation)，功能依据不同影像卡厂商设计提供而有所差异) 因此较为节省系统的后段计算处理时间。至于非DSP架构的影像卡主要以快速取像为主，大多具备DMA (Direct Memory Access) 功能以取得较大的内存避免数据遗失(当然DSP卡大部份也会具备这个功能，但是DSP卡去执行DMA的动作时影像大多已经过前处理而非原始数据)，之后再以编程方式由CPU去计算处理，虽然DSP架构可以作影像前处理节省系统时间，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，以资料量来说目前市面上的影像采集卡多为32-bit，33MHz 或 64-bit，66MHz 的PCI bus 接口，在选择影像卡时必需要先计算取像时的最大可能数据量，同时必需考虑同一系统上其它控制卡的数据量会占多少频宽，最常被忽略的就是网络传输端口本身也是占用PCI频宽的一份子，因此最好保持PCI Bus 频宽的充裕性，再不然就是选择影像采集卡本身有内建内存的规格以确保不会因为频宽不够而导致数据遗失的状况。

前面有提到Line-scan Camera 数据接口目前有分RS-422，RS-644(LVDS)，Channel Link 及Camera Link 的格式，基本上RS-422及RS-644(LVDS) 的数据格式完全不一样故影像采集卡也各自独立 ; 但是Channel Link 及Camera Link 的数据格式则完全兼容，故一般选用Camera Link 规格接口的影像采集卡即可。如前面提到的 Camera Link 有区分：基本架构(Base Configuration)，中阶架构(Medium Configuration)，及完整架构(Full Configuration)，每个架构除了传输资料量不同外，对于可以支持的 Camera Link 摄影机输出模式也有定义如下：

* 一组讯号，但需分成两个接头输入

因此在选择Camera Link 影像卡时需考虑其架构规格是否能支持前端的摄影机输出模式。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/24/2005)


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