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2021-05-06 847

虽然单色图像已经足以满足当今许多检测应用(例如寻找缺陷、划痕或裂纹)的应用需求,但是对于那些“单色图像无法提供足够的差异化来识别感兴趣对象”的应用而言,彩色图像的使用正在悄然增加。过去,彩色成像在机器视觉检测中并未得到广泛应用,这是因为彩色成像的技术成本太高、相机速度太慢。但是经过二十多年的发展,彩色线扫描相机背后的技术已经达到到了能够被更广泛应用的程度。

为什么选择彩色成像?

彩色图像包含来自物体的反射光的强度和色度信息。毫无疑问,识别一些用彩色成像检测的物体比基于单色成像的类似检测要容易得多。在某些情况下,必须要使用彩色成像。例如,在食品检验中,如果只提供单色图像(见图1),则很难分辨哪一个是红椒,而哪一个是青椒。
图1:使用单色相机很难区分红椒和青椒,但是彩色相机却能很容易将两者区分开来。

对彩色成像的需求并不仅仅限于食品检验应用。还有许多其他应用,如印刷、包装、电子、半导体、制药和织物(web)检测等,都需要彩色成像。

二十年前,很少有机器视觉应用使用彩色成像,原因很简单,因为创建可行的彩色成像检测系统的成本太高。与单色相机相比,早期的彩色线扫描相机的分辨率和速度都很低,并且彩色成像系统也非常昂贵,这对于机器视觉系统而言并不具备吸引力。认识到市场的需求和对更好的彩色成像技术的追求,机器视觉行业的厂商们已经在积极追求具有更高速度、更好分辨率和更低成本的技术,从而使更多的用户能够拥抱彩色成像。

早期的彩色成像技术
第一款彩色线扫描相机是基于棱镜的3CCD(电荷耦合器件)相机(见图2)。这种设备可用于钞票成像或高价值包装检查。但是该技术的早期版本并未得到广泛应用,因为它们对振动较为敏感,这导致用户不愿意使用它们。
图2:基于棱镜的传感器架构。

随后,彩色成像技术进一步发展,达到更强大的水平。之后一代的相机是三线CCD彩色相机,其具有更快的线速度,而价格却只有原来版本的1/3左右,因此受到了印刷、包装、食品、制药、电子、棉花及web等应用的广泛青睐。这些进步是通过一种不同的传感器架构来实现的。在这种传感器架构中,同一芯片上制作有三条像素线,每条线分别覆盖红色、绿色和蓝色(见图3)。
图3:三线传感器架构。

三线相机技术面临的一项挑战是三种颜色的分离,因为三线传感器上的颜色线不共用一个共同的光轴。这导致三条不同颜色线的三个单独的对象点。因此,彩色图像沿着扫描方向出现错位。现在,三线相机通过一种称为空间校正的技术来处理颜色分离。空间校正技术允许用户输入适当的参数来重新对齐彩色图像。

除了空间校正技术外,这一代三线相机还包括更多的辅助功能,以适应用户需求,并推动一些机器视觉应用使用彩色成像。有些功能允许用户微调每个像素对入射光线的反应,可以将一个用户设置上传到多台相机,使设置更加容易。一些相机包含有色彩校正功能,几乎实现真彩色图像。这项功能特别适用于那些需要极高质量彩色图像的应用,如钞票检验或高质量包装检测。

速度更快、成本更低的CMOS相机

在用于彩色检测的相机发展历程中,接下来的一个重大飞跃是基于CMOS的三线式相机。这些CMOS相机建立在前几代相机发展的基础之上,不但性能有了显著的提升,而且价格更低。

这些相机的速度高达70kHz,比前几代相机平均约17kHz的速度大幅提升。这一代相机中还包括了改进的空间校正技术,能够实现精度达亚像素级别的精确校正,同时还具有水平色散校正(有时也称为视差校正)功能。

视差校正功能允许用户以一定角度安装相机(传感器表面不垂直于物体表面),但仍能获得非色散彩色图像。一些用户利用这个功能来操作一台相机来代替两台相机。

例如,香烟包装的机器视觉检查需要检查包装的彩色印刷和凹凸形状。过去,完成这项任务需要两台不同的相机,但是随着技术的进步,用户以一定角度安装一台相机,便能完成这两项检查任务。

目前的彩色线扫描相机技术

由于曝光时间短,在许多情况下,高速检测对照明的要求非常高。这类应用需要响应速度极快的相机,而单线彩色三线相机可能无法执行这类任务。

为了满足这种应用需求,机器视觉行业已经开发出了采用TDI(时间延迟积分)技术的CMOS相机,例如加拿大Teledyne DALSA公司最近推出的PiranhaXL彩色线扫描相机,就采用了TDI彩色传感器(见图4)。
图4:Piranha XL TDI彩色线扫描传感器架构及其工作原理。

 

Piranha XL相机为每色四线,响应度比每色单线相机高四倍,并且噪声极低。像这样的16K相机,最大线速度为70kHz,最大吞吐量为3.5GB/s,所以它们需要数据转移功能,如果需要的话,相机可以同时向多台主机分配数据。

这些相机还需要高速数据传输以跟上高速数据处理。Piranha XL相机中包含最近开发的高速数据传输协议CameraLink HS,以提高数据传输速度。

彩色成像技术的演进

一些应用可能需要彩色成像,但不一定是真彩色成像。例如在诸如制药、安全、电子和食品等行业的应用中,使用不同颜色成像的主要考虑是区分物体的不同特征。在这些情况下,低成本的双线彩色相机是一种经济有效的解决方案。第三种颜色可以从具有双线架构的相机中的相邻像素插值得到(见图5)。
图5:双线传感器架构,第三种颜色通过插值得到。

在检测汽车底盘的安全应用中(见图6),所使用的双线相机架构提供的彩色图像,并不完全是我们用肉眼能看见的,但是它确实提供了足够的对比度来查看各种底盘特征。

四线相机和彩色成像技术的未来发展

四线相机可以将彩色视觉与其他技术配对,以呈现人眼或单色相机不可见的物体特征。对于物体中含有一些不可见光谱成分的应用场合,如太阳能电池板、钞票和玻璃检测,这些相机将凸显出其强大功能。

彩色线扫描相机也可以用作多通道单色线扫描相机。这是使用彩色相机的一种聪明方法。例如,假设有三个缺陷项目,需要识别划痕、灰尘和Mura缺陷,这些缺陷分别在红光、绿光和蓝光下可见。

因此,需要将红光、绿光和蓝光同时照射到物体上,并分别处理红色、绿色和蓝色通道的图像。一些彩色线扫描相机可以独立控制每个通道的曝光时间,用户能够用它们来捕捉高动态范围的单色图像。这是一种彩色相机作为单色相机的应用案例,这些应用需要较高的色彩纯度。

目前的三线相机的彩色滤光片基于染料或色素,并且在色彩通道之间存在光谱串扰。红光、绿光和蓝光或多或少地会混合在一起。为了应对这一挑战,业界正在开发一种具有最小串扰的新型二向色滤光片。一旦该技术付诸使用,对彩色相机用作单色应用将非常有益。

结论

在过去的二十年中,在传感器、分辨率、速度、接口和多通道技术的进步中,其中速度的发展是最大的。目前的彩色相机比二十年前的产品至少快七倍。市场对彩色成像的需求正在不断增加,毫无疑问这将推动未来有更快、更便宜的彩色线扫描相机进入市场。

 

 

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