دوربین های لاین اسکن (Line Scan) و کاربرد آنها در بینایی ماشین

دوربین های Line Scan می توانند در سرعت های بالا تصاویر باکیفیتی بگیرند. همانطور که از اسم این دوربین ها مشخص است این دوربین ها تصویر را به صورت خط به خط می گیرند؛ به همین دلیل می توان از آنها برای گرفتن تصویر اشیا بسیار طولانی استفاده کرد. دوربین های Line Scan دارای نمونه های رنگی و سیاه سفید هستند. در این مقاله در مورد نحوه تصویر برداری با این دوربین ها ، کاربردهایشان در صنعت و… بحث خواهیم کرد. لطفا اگر سوالی در این زمینه داشتید با ما تماس بگیرید.

برای ثبت نام در “دوره آموزشی بینایی ماشین با نرم افزار Halcon” اینجا کلیک کنید.

دوربین لاین اسکن (Line Scan) چیست؟

دوربین لاین اسکن یک دوربین است که تصویر را به صورت خط به خط می گیرد؛ این خط ها به طور پیوسته به کامیپوتر ارسال و تبدیل به تصویر کامل می شوند. نحوه تصویر برداری با دوربین Line Scan در تصویر زیر نمایش داده شده است. همانطور که می بینید دوربین لاین اسکن ثابت است و درب ماشین جلوی آن با سرعت ثابت حرکت می کند. بدین ترتیب تصویر درب ماشین به صورت خط به خط توسط دوربین اسکن می شود. در نهایت ما تصویر کامل درب ماشین را دریافت خواهیم کرد.

رزولوشن در دوربین های لاین اسکن (Line Scane)

دوربین های Line Scan نسبت به دوربین های معمولی می توانند تصاویری با رزولوشن های بالاتری بگیرند؛ به همین جهت وقتی بخواهیم از یک جسم با عرض زیادی عکس بگیریم سراغ دوربین های لاین اسکن می رویم. نحوه بیان رزولوشن نیز در دوربین های Line Scan با دوربین های معمولی کمی متفاوت است که در ادامه به آن اشاره خواهیم نمود.

 رزولوشن در دوربین های معمولی

رزولوشن در دوربین های معمولی اصولا برحسب مگاپیکسل بیان می شود و به مفهوم تعداد پیکسل های عکس است. رزولوشن برابر با حاصلضرب پیکسل های عرض تصویر در پیکسل های طول تصویر است. به عنوان نمونه یک دوربین با رزولوشن 2 مگاپیکسل را در نظر بگیرید، این دوربین دارای 2 میلیون پیکسل است. در این دوربین یک طرف تصویر 1600 پیکسل و طرف دیگر آن 1200 پیکسل دارد. عدد 2 مگاپیکسل از حاصل ضرب 1600*1200 به دست آمده است. البته نتیجه این ضرب اصطلاحا کمی رند شده است.

رزولوشن در دوربین های Line Scane

دوربین های لاین اسکن عموما دارای رزولوشن های 2k , 4k ,6k ,8k, 12k  هستند. در دوربین های line Scan نحوه ی بیان رزولوشن کمی متفاوت است.  این دوربین ها در هر لحظه فقط از یک خط عکس می گیرد. مقدار رزولوشن در دوربین های لاین اسکن بیانگر تعداد پیکسل های همان خط است. بنابراین وقتی می گوییم رزولوشن یک دوربین لاین اسکن 2k است مفهوم آن است که یک طرف تصویر حداکثر 2000 پیکسل دارد؛ تعداد پیکسل های طرف دیگر تصویر توسط نرم افزار قابل تنظیم است. مثلا اگر این عدد را روی 3000 تنظیم کنیم یک تصویر با ابعاد 2000 در 3000 را دریافت خواهیم کرد. رزولوشن این تصویر برابر با حاصلضرب 3000*2000 ، برابر با 6 مگاپیکسل خواهد بود.

تصویر برداری از دوربین های Line Scan با رزولوشن بالا و سرعت بیشتر

دوربین های لاین اسکن نسبت به دوربین های معمولی می توانند تصاویری با رزولوشن بالاتری را بگیرند. یکی از دلایل این امر آن است که دوربین های معمولی از یک ناحیه عکس می گیرند در حالی که دوربین های Line Scan از یک خط عکس می گیرند. به همین دلیل این دوربین ها می توانند از عرض بیشتری عکس بگیرند. همچنین سرعت تصویر برداری این دوربین ها بیشتر از دوربین های معمولی است.

به تصویر زیر دقت نمایید، این تصویر نشان می دهد که برای تصویر برداری با رزولوشن بالا از یک ناحیه با عرض زیاد، به جای استفاده از چندین دوربین معمولی می توان از یک دوربین Line Scan استفاده کرد.

به عنوان نمونه دوربین با رزولوشن 12k را در نظر بگیرید. یک طرف تصویر در این دوربین 12000 پیکسل دارد. همانطور که قبلا گفته شد ما می توانیم تعداد پیکسل های طرف دیگر تصویر را با استفاده از نرم افزار این دوربین ها تعیین کنیم. فرض کنید بخواهیم طرف دیگر تصویر 10k پیکسل داشته باشد، به این ترتیب ما یک تصویر با ابعاد 12k* 10k خواهیم داشت. این معادل تصویر یک دوربین 120 مگاپیکسلی است در حالی که عموما حداکثر رزولوشن در دوربین های معمولی خیلی کمتر از این حرف هاست. مثلا در دوربین های برند باسلر، حداکثر رزولوشن  در مدل های خاص کمتر از 45 مگاپیکسل است و در مدل های عمومی تر، دوربین ها حداکثر تا رزولوشن 12 یا 20 مگاپیکسل ساخته می شوند.

کاربردهای دوربین های Line Scan

در مسابقات ورزشی وقتی چند نفر با هم از خط پایان عبور می کنند از دوربین لاین اسکن برای تعیین نفر برنده استفاده می شود. در بینایی ماشین در موارد متعددی از دوربین های لاین اسکن استفاده می کنیم. به طور کلی در خطوط تولید پیوسته مثل خط تولید کارخانجاتی نظیر تولید پارچه که سر و ته اجسام مشخص نیست از دوربین های Line Scan استفاده می شود. علاوه بر آن در مواردی که بخواهیم تصویر برداری را با سرعت و کیفیت بالا انجام دهیم سراغ دوربین های Line Scan می رویم. برای دوربین های Line Scan می توان کاربردهای متعدد دیگری نیز ذکر کرد. در اینجا سه مورد از عمده ترین کاربرد دوربین های لاین اسکن را مرور می کنیم:
1- عکس برداری از اجسام طولانی و پیوسته
2- عکس برداری در حالتی که فضا یا دید کافی نداریم
3- عکس برداری از اجسام استوانه ای

1- عکس برداری از اجسام طولانی و پیوسته

در حالت کلی عکس برداری از اجسام طولانی و پیوسته با استفاده از دوربین های لاین اسکن انجام می شود. امروزه در کارخانه های چاپ ، تولید شیشه یا پلاستیک فرآیند عکس برداری در سیستم های بینایی ماشین با دوربین های Line Scan صورت می گیرد. به صورت یک قاعده ی کلی می توان گفت وقتی اجسامی که میخواهیم از آنها عکس برداری کنیم سر و ته مشخصی ندارند از دوربین های لاین اسکن استفاده می کنیم.

در شکل زیر نحوه ی تصویر برداری با دوربین لاین اسکن نشان داده شده است. در این سیستم، تصویر توسط دوربین لاین اسکن دریافت و به کامپیوتر فرستاده می شود و از انکودر برای هماهنگ کردن سرعت عکس برداری دوربین با نوار نقاله استفاده می شود.

2- عکس برداری در حالتی که فضا یا دید کافی نداریم

در برخی موارد به دلایل متعددی نمی توانیم تصویر را با دروبین های معمولی بگیریم. مثلا به تصویر زیر دقت کنید، ما در اینجا می خواهیم  کیفیت لیبل چاپ شده در کف کارتون را بررسی کنیم. همانطور که در تصویر می بینید امکان تصویر برداری با دوربین های معمولی وجود ندارد چرا که لیبل را نمی توانیم به صورت کامل ببینیم، اما دوربین Line Scane می تواند به راحتی تصویر را به صورت خط به خط دریافت کند.

3- عکس برداری از اجسام استوانه ای

تصویر متحرک زیر نحوه تصویر برداری از یک جسم استوانه ای را نشان می دهد. جسم با سرعت ثابت مقابل دوربین می چرخد و دوربین تصویر جسم را به صورت خط به خط اسکن می کند تا در نهایت یک تصویر کامل از جسم گرفته شود.

در شکل زیر تصویر یک آمپول به صورت مشابه با یک دوربین لاین اسکن گرفته شده است.

نور پردازی در دوربین های لاین اسکن

برای تصویر برداری با دوربین های لاین اسکن نیاز نیست که یک ناحیه را نورپردازی کنیم. از آنجایی که تصویر در دوربین های لاین اسکن به صورت خط به خط گرفته می شود برای تصویر برداری کافی است که فقط یک خط  را روشن کنیم. بنابراین از میان منابع نور مختلف در بینایی ماشین، در لاین اسکن ها فقط از لایت های خطی پرنور استفاده می شود. در شکل زیر یک نمونه لایت خطی دوربین های Line Scan نمایش داده شده است.

برای نورپردازی با استفاده از دوربین های Line Scan نیز می توان از تکنیک های نورپردازی در بینایی ماشین استفاده کرد. در تصویر سمت راست نور از بالا به لاین اسکن می تابد. در تصویر سمت چپ نور از پشت دوربین تابیده شده که اصطلاحا به آن شیوه نور پردازی از پشت یا back light گفته می شود. شیوه نورپردازی Back Light برای اجسام شفاف مورد استفاده قرار می گیرد. در هر دو حالت گفته شده برای دریافت تصویر با نور پردازی مناسب بایستی زاویه تابش نور را تنظیم کرد. برای اطلاعات بیشتر در مورد تکنیک های نور پردازی در بینایی ماشین اینجا کلیک کنید.

حذف رفلکس با نورپردازی مناسب در دوربین های لاین اسکن

فرض کنید بخواهیم چاپ روی یک شی استوانه ای شکل را بررسی کنیم برای اینکه بتوانیم چاپ روی این شکل را بررسی کنیم نیاز است تا به گونه ای تصویر برداری را انجام دهیم که بتوانیم تصویر روی این شکل استوانه ای را بدون رفلکس ببینیم. بدین منظور بایستی منبع نور را به صورت مایل به جسم بتابیم.

همانطور که در تصویر زیر می بینید با وجود براق بودن برچسب هیچ اثری از رفلکس روی تصویر وجود ندارد. دلیل این امر آن است که در نور پردازی با استفاده از لایت های لاین اسکن ما فقط یک خط را روشن می کنیم به همین دلیل با تنظیم زاویه تابش نور می توانیم رفلکس را از بین ببریم و به تصاویر با کیفیت بالاتری دست پیدا کنیم.

انواع دوربین های لاین اسکن

همانطوری که گفته شد دوربین های لاین اسکن دارای رزولوشن بالاتری نسبت به دوربین های معمولی هستند. دوربین های لاین اسکن می توانند سیاه و سفید و یا رنگی باشد. تکنولوژی ساخت دوربین های رنگی Line Scan پیچیده تر است. به همین جهت برخی تولید کننده ها مثل شرکت Basler ، فقط دوربین های سیاه و سفید تولید می کنند. دوربین های Line Scan نیز مانند سایر دوربین های مورد استفاده در بینایی ماشین، به دو دسته تقسیم می شوند:

1-دوربین های لاین اسکن
2- دوربین های لاین اسکن هوشمند

1-دوربین های Line Scane

در دوربین های لاین اسکن غیر هوشمند، دوربین فقط نقش تصویر برداری را به عهده دارد؛ یعنی دوربین تصویر را به صورت خط به خط ، به کامپیوتر می فرستد. در این حالت عملیات پردازش توسط نرم افزار پردازش تصویر در کامپیوتر انجام می شود. یکی از شرکت های معتبر تولید کننده دوربین لاین اسکن ، شرکت باسلر است. دوربین های Basler از نوع سیاه و سفید بوده و دارای رزولشن های 2k , 4k ,6k ,8k, 12k  هستند. در شکل زیر تصویری از دوربین لاین اسکن از نوع GigE ساخت شرکت باسلر را مشاهده می کنید.

برای تصویر برداری با دوربین باسلر (نشان داده شده در شکل فوق) نیاز به لنز است. تصویری از یک نمونه لنز این دوربین ها در شکل زیر نمایش داده شده است.

شکل زیر سیستم بررسی چاپ با استفاده از دوربین لاین اسکن را نمایش می دهد. در اینجا از یک دوربین لاین اسکن غیر هوشمند استفاده شده است. همانطور که در تصویر می بینید منبع نور توسط یک لایت خطی به صورت مایل و از جلو به محصول می تابد. در این سیستم تصویر چاپ به صورت خط به خط به کامپیوتر ارسال شده و در آنجا عملیات پردازش انجام می شود.

2- دوربین های لاین اسکن هوشمند

دوربین های هوشمند لاین اسکن سیاه و سفید برای کاربردهای خاص مثل بررسی چاپ تولید شده اند. در دوربین های Line Scan هوشمند عملیات تصویربرداری و پردازش همگی در داخل دوربین انجام می گردد. در شکل زیر یک نمونه دوربین لاین اسکن هوشمند برند cognex نمایش داده شده است. در دوربین های هوشمند لاین اسکن نیازی به کامپیوتر و نرم افزار جداگانه ای نداریم و عملیات برنامه نویسی توسط نرم افزار این دوربین ها انجام می گردد. برای تنظیم و برنامه نویسی این دوربین ها فقط کافی است یک بار آنها را به کامپیوتر متصل کرده و تنظیمات آنها را انجام داد. سپس این دوربین ها قادر خواهند بود به صورت مستقل و بدون نیاز به کامپیوتر عملیات تصویر برداری و پردازش را انجام دهند.

در این مقاله در مورد دوربین های لاین اسکن و نحوه کار آنها مطالبی را ارائه کردیم. میتوانید در این زمینه از تیم تخصصی ما مشاوره بگیرید.

معرفی دوربین های صنعتی Basler

آموزش نورپردازی در بینایی ماشین و پردازش تصویر

معرفی سنسورهای پردازش تصویر و دوربین های هوشمند