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5/27/03<專題報導>視覺專用攝影機系列介紹之（8）

線性掃瞄攝影機之基本入門

<概述>

DALSA公司所製造生產的影像與視覺專用攝影機，乍看之下，似乎款式種類繁多，但若就規格、功能及實際應用場合的不同加以分類，主要區分為矩陣式（Area）及線性掃瞄式（LineScan）兩種。

本篇文章內容是比較並強調矩陣型，線性掃瞄式，與高感度線形攝影機，彼此之間的差異或個別特色。

藉由深入淺出的原理解說及詳細運用範例的說明，希望能對許多已經相當程度熟悉矩陣型攝影機的客戶，進一步想了解線性掃瞄技術、原理，以及如何上線使用這一類型產品，多少有些助益。

圖1，線性掃瞄影像，如同傳真機工作原理，利用單一線形影像感測器建構壹2維空間的影像。

<影像感測器結構的比較>

絕大多數人，還是熟悉通稱的矩陣式影像感測器，如圖2所示，一種以2維矩陣排列，不同解析度像素的感測器，例如，水平有640，垂直為480，或

1024X1024，亦或者是1600X1200像素。

市面上常見的消費性數位攝影機，大致上都是採用這一類型的感測器。

針對靜態影像拍攝或慢速移動物體畫面取景，矩陣型感測器有絕對的優勢，但如果是面對高速行進中的物件或連續且不斷的待測物情況下，其適用性就產生很大的問題。

因為，要瞬間凍結影像，確保成像後的圖像品質，包括亮度與對比參數，矩陣式感測器必須設定在極短的曝光時間，或稱之為電子快門（Shutter）的工作模式，並搭配同步訊號裝置，及多功能的瞬間點燈的光源等，而這些外加的設備或特殊的機能，不僅增加整個系統的複雜性，往往得付出額外的成本，包括時間與金錢，才能取得相對良好的影像，供後續檢測。

反觀，線性掃瞄式感測器的結構設計，證明其專屬的特性與優點，完全適用在上述之高速行進影像的擷取或連續式待測物件的檢測。

如圖1及圖2所示，僅以單一水平像素解析度擷取，最終建構2維連續影像的線形感測器，垂直方向的解析度並未受到限制，而是取決於物件本身的移動距離或速度。

相較於一般矩陣式感測器所能擷取1024X1024單張影像的解析度，線形影像感測器可產生1024XN的解析度，N的數值，隨著攝影機的運轉而不斷地增加。

常見於辦公室或個人工作室的傳真機，可以算是線形感測器的具體應用案例之一。

運用TDI技術所衍生的高感度線形感測器，則是另一種線形掃瞄的應用方法。

採用TDI式的掃瞄取像，若相較於一般型線形感測器，可提供更高的靈敏度或感光度。

換句話說，若以相同的輔助照明條件下，高感度的TDI型攝影機可以提供更高速的掃瞄速度，亦或者是，同樣的物件移動速度時，TDI型攝影機僅須較低照明的光源。

圖2所示，是比較矩陣式及線形掃瞄感測器的結構的主要差異。

圖2，矩陣型與線形影像感測器基本架構的差異。

影像訊號是經由輸出暫存器，直接從感測器上，逐條傳送出來。

如圖3所示，成像過程裡，感測器前端的鏡頭造成鏡射倒立的效應，因此，每一種感測器內部所屬的輸出暫存器的所在位置，都擺放於實際進行感光像素區域的下方。

圖3，使用一般鏡頭所產生的鏡射倒立效應。

<矩陣式圖框影像的傳送方式>

從影像感測器上，傳送全部影像資訊所需花費的時間，決定於攝影機的解析度及內部時序訊號。

圖4舉例說明矩陣式感測器，輸出及傳送影像訊號的步驟與過程。

圖4，矩陣式輸出與傳送方式。

§讀取步驟：

1．以平行且同時運作方式，將每一條水平線像素上的影像訊號，移至下一列。

其中，位於感測器上的最底部的列上影像資訊，直接移轉到輸出暫存器上。

2．進入暫存器的影像訊號或像素，以水平方向，進行逐列像素的輸出，直到全部傳送出暫存器為止。

3．緊接著，再將位於感測器上，次低位置的水平列上的像素，逐列的輸送出暫存器。

4．重覆上述步驟2與3，直到感測器上的所有像素或影像資訊，全部經由暫存器傳送完畢。

由此可見，要把矩陣型攝影機內部的完整圖框影像、資料，完成傅送所需花費的時間，大致而言是固定而非隨機或任意。

同時，必須留意到的是，當影像訊號正在進行傳送時，感測器本身不可以再重覆曝光。

多數情況下，如果產生二次曝光的現象，其結果影像便發生模糊不清的效應，甚至超過可供判別或檢測的容許度。

要降低或避免這種影像模糊不清負面效果的解決方案，可改採用瞬間點燈的閃光源，啟動電子快門，以及提高系統的工作時序。

<範例說明>

以壹部像素解析度為1024X1024，個別像素工作時序為20MHz的攝影機而言，完整傳送出壹張圖框所需時間，大約為52微秒（milliseconds）。

計算方法如下：

1．每條水平像素資料的傳送時間，約等於其水平像素的總個數，亦即解析度，除於個別像素的時序，亦即1024÷20×106=51ms（milliseconds）。

2．接著，將上面運算式所得出的數值，乘以垂直的解析條數（以本個案而言，為1024）即可求出，把整張圖框影像傳送出攝影機所需花費的時間。

圖5，線形掃瞄的傳送輸出方式。

通常，受限於攝影機的實際工作時序必要性，譬如，水平及垂直同步訊號

往往會再增加些許額外的時間，但上述的計算方式，大抵上可以用來約略估算出攝影機的畫面擷取與傳送速度。

要得知攝影機的每秒取像張數，只要把每張影像所傳送的時間加以倒數運算，即可求出正確的數字。

例如，以本範例來說，每張影像約須52milliseconds，經過倒數計算後，大約求出取像速度為每秒19張。

<線性掃瞄的輸送方式>

線形掃瞄式攝影機，每次曝光之後，僅輸送出單條像素資料，也就是說，比起矩陣型攝影機來說，線形感測器上的像素資料，傳送至暫存器所需時間，相對減少很多。

真實應用的狀態下，是由外部提供一個觸發的脈衝訊號給攝影機，這組觸發訊號通知攝影機結束曝光動作的同時，啟動攝影機開始傳送出目前的線形像素訊號。

暫存器在進行逐一個別像素資料的傳送與輸出攝影機的過程中，並不會對外界的影像及光源有所反應或感光。

如此，週而復始，構成整個影像感光與傳送的時程。

重要的是，當暫存器上面的像素資料進行輸出動作時，線形感測器可以同時，並行執行下一個影像曝光作業。

經過上面介紹，我們可以區分出線形攝影機，在許多高速應用場合裡，明顯地優於一般矩陣式，全圖框型攝影機。

不同於矩陣式感測器的先行條件限制，線形攝影機可以同時進行先後影像的傳送輸出與曝光進行，當已經完成曝光動作的影像訊號移轉至暫存器之後，感光區的感測像素，便可以立即待命，進行下一次，新影像的曝光與成像。

圖6，矩陣式與線形掃瞄式取像方式比較。

由於線形掃瞄攝影機的高速且即時影像擷取特性，可允許這一類型攝影機進行連續不斷地曝光與影像傳送，最終取得整張完整畫像。

全圖框矩陣式攝影機無法有效且稱職地進行快速影像的擷取。

主要原因是當它處理像素傳送與輸出攝影機內部的狀態下，可以說是處於〝全盲〞的模式。

必須先完成上一張圖像訊號的傳送之後，才能重新開始進行下一張影像的曝光取景。

由上圖中，可以看出，雖然物件仍然在鏡頭下移動，攝影機本身卻〝視而不見〞，導致中間影像（B），於成像後消失。

線形攝影機的實際應用場合下，待測物體必須移動，才能得到壹張完整圖像。

因此，在待測物件與攝影機，相對移動中，做好必要且適切的同步訊號處置，最後才能確保成像的像素長、寬比的一致性。

下面的討論重點，將深入介紹相關訊號同步的方法，以及提供應用案例，作完整的說明。

<線形掃瞄影像系統的建立>

多數與線形掃瞄攝影機有關的案例裡，都必須事前做好移動中物體與攝影機之間的訊號同步，常見且最被普遍使用的方法之一，是採用所謂的編碼器（encoder）。

圖7，編碼器的裝設與功能示意圖。

<範例：

編碼器的使用要點>

1．決定檢測特微的最小實際單位。

若以壹張大小為8.5X11英吋（inch）文件，要進行文字辨識（OCR）的應用案例而言，所需最少的解析度為每英吋200個像素，折算後，水平方向個別像素的寬度為1/200或0.005英吋（inches）。

也就是能符合或達到檢測目的所必須具備的最小特微大小。

至於如何選擇最適當解析度的攝影機，才能迎合本案例的規格需求，只要將視野大小（以此範例來說，水平方向為8.5英吋）除以所須像素最小的單位即可，譬如8.5/0.005=1700（像素），也就是說，本範例所舉之文件掃瞄與辨識系統所需攝影機的解析度，至少必須在1700個像素以上（含）。

2．選定正確的攝影機型號，並重新計算真正像素大小。

市面上可供挑選的攝影機款式，依規格及功能不同，種類繁多，但大都僅提供固定多寡的感測像素解析度（但卻找不到剛好是1700個像素型），所以最佳的選擇乃是解析度為2048的攝影機，上面提到，為了維持檢測所要求的最小0.005英吋的特徵像素單位，在寬度為8.5英吋的水平視野上，至少必須有總數為1700個像素解析力的表現。

如今限於既有產品的規格，採用2048像素型的攝影機，實際情況下，在檢測面積或視野左右兩旁，將會多出許多像素。

在某些特殊應用，需要使用到多台攝影機同時對同一個較大型待測物或文件，進行影像掃瞄及檢測時，這些額外多出的像素，將會有助於彼此之間進行必要的影像重疊與對準作業目的。

3．決定個別像素的長/寬比。

經過計算所得到的結果，既然每個像素的水平寬度為0.005英吋單位，垂直方向的像素高度大小，最佳的選擇。

仍舊以保持0.005英吋為考慮的優先出發點，如此一來，才能讓個別像素有一致的長寬比，且整張影像的水平與垂直方向維持正常的幾何形狀。

為了達成此一設計目的，當待測物件在垂直行進方向，每移動0.005英吋時，就必須由外部送給攝影機壹個同步訊號，啟動拍攝與影像傳送作業。

實際運用中，負責擔任此項工作，提供必要的同步訊號，是在系統中加入壹組編碼器（encoder）。

一般情況下，編碼器是直接鎖定在帶動待測物件，讓它能從攝影機視野下經過的驅動器的滾軸上。

依解析度多寡不同，編碼器每轉動一圈，就會送出數目不等但固定的同步訊號。

4．編碼器的裝設

以本範例來說，可以採用每轉送出1024個脈衝信號的編碼器。

在整個系統裡必須找出適當的位置，利用一些機械零組件或接頭，植入壹組編碼器，更重要的是讓編碼器的軸心，變成驅動裝置的一部份，彼此建立聯動的關係或互動。

無論是使用齒輪式，萬向接頭或者是外加滾軸式，最後的目的，是希望能達到當待測物件每次移動前進0.005英吋時，編碼器就即時送出壹個脈衝訊號給攝影機。

其中一種最簡單可行的方法之一，就是在編碼器的軸心上，外裝壹個輪軸，再將之擺置於帶動待測物或文件的輸送帶的表層。

為了維持每個像素固定的長寬比為0.005X0.005英吋，編碼器所外裝的輪軸直徑必須為5.12英吋。

計算的公式是直接把編碼器每轉一圈的脈衝數目（1024），乘以垂直移動的步距（0.005英吋）。

5．硬體與軟體的架設作業

接下來的工作，就是把相關的軟硬體裝置與設定，依實際功能需求架設起來，讓系統認知當待測物抵達攝影機視野時，自動啟動影像拍攝，直到整張文件掃瞄完整為止，才停止取像作業。

等到取得壹張完整影像後，系統將進行後續的影像處理與分析檢測，並同時等待啟動下一個影像畫面抓取。

6．攝影機的掃瞄速率

系統的掃瞄及取像速度也是考量的重點之一。

以DALSA公司所生產的SP-14-02K40（SPYDER）攝影機而言，其工作的最高線掃瞄速率為18.7KHZ，也就是說，每秒可擷取18700條水平影像。

如果本案例選用這款規格攝影機，亦即每條掃瞄線垂直高度為0.005英吋，代表這套系統移動速率最快為每秒93.5英吋。

SPYDER攝影機的最低掃瞄速度為300HZ，換言之，系統最低的行進速度，不得低於每秒1.5英吋。

上線時，DALSA的攝影機的運轉線性掃瞄速率，必須保持在原產品規格最低速率以上。

萬一情況發生，顯示系統的移動速度產生變化，低於上面所計算求出的下限速度時，你仍然要確保攝影機的工作掃瞄速率，保持在最低允許的速率以上。

否則，攝影機上緣的感測器將會因為逾時曝光，導致影像過度飽種現象。

遇到這種問題時，解決的方法是以高於最低速率的掃瞄設定，重新啟動攝影機並讀取感測器上的像素訊號，才能恢復正常運轉。

如果系統停止運轉一段時間後，再啟動拍攝及檢測作業，則剛開始從攝影機送出的影像，為數大約10到20條水平線，將呈現不正常的品質，之後，就回復到正確的工作模式。

反過來說，如果系統的行進速度太快，已經超過攝影機可正常工作的最高速率，則將會產生某些水平影像消失不見的現象。

依出廠規格而定，每個款式的攝影機的最高工作掃瞄線性速率，乃決定於其本身完成傳送壹條線形像素的時間多寡而定。

當攝影機尚未或正在傳送壹條線形像素訊號之前，外部突然又啟動壹個觸發脈衝信號，自然會被攝影機忽略掉。

但是，一旦攝影機完成壹條線形像素的傳送時，它將立即處於等待狀態，準備接受下一個隨時到達的觸發信號，進行下一條掃瞄線的輸出與傳送。

<曝光時間控制>

攝影機的有效曝光時間，乃取決於由所選用的編碼器送出，相鄰脈衝的間隔時間。

當系統在某一個運轉或行進速度下，其內建的編碼器所送出的脈衝頻率為1KHz，即代表攝影機的有效曝光積分時間為1milliseconds（ms）。

如果提升系統的運轉速度，相對提高編碼器的脈衝頻率達10KHz時，則降低攝影機的曝光時間到0.1milliseconds（ms），在上述兩種不同系統速度或攝影機時曝光時間條件下，如果維持同樣的輔助照明的輸出亮度，則由10KHz速率所取得的影像亮度值，將會是1KHz速度結果影像的1/10。

圖8，藉由瞬間點燈光源系統，進行曝光控制

在必要的情況下，你亦可以獨立於系統的運轉速率，進行攝影機的曝光時間控制與調整。

前提是該款式攝影機必須在出廠時，就具備此項功能，可供進行外部制控曝光時間的長短，讓每一條線形像素在攝影機傳送出來之前，都保特一定的曝光時間。

不過，若採用這種工作模式，系統所搭配使用的輔助光源必須能提供較穩定照度輸出，最終才能讓成像的影像，具備絕佳的均勻亮度。

此外，你也可以藉由輔助光源來調整或控制攝影機的曝光時間。

最簡單的方式之一，就是當線形掃瞄速率變快或變慢時，以手動方式調整輔助光源的輸出照度值。

比較有效率或創新的方法，則是透過某種迴授控制，自動偵測系統速率的變異值大小，進而據之調整光源的亮度輸出供應。

有些系統則運用瞬間點燈的照明裝置來進行曝光控制，方法也是根據系統運轉的速率，送出間隔長短不一的脈衝信號給光源裝置，啟動照明的有效時間，以便動態調整攝影機的曝光時間，確保影像的亮度一致性與均勻度。

圖9，高感度型與一般標準型線形感測器結構的比較

<高感度線性掃瞄原理解說>

有別於標準型線性掃瞄攝影機，DALSA公司提供另一種高感度的線性攝影機，又稱之為TDI（全名為TimeDelayandIntegration）。

實際操作或攝影時，完全等同於一般標準型的線性掃瞄攝影機，最大的差別，是TDI型攝影機擁有更高的光響應系數與靈敏度。

TDI型攝影機，之所以能擁有更佳的靈敏度，主要的原因，乃源自於其內部用來進行影像抓取的感測器結構特殊設計與成像時序動作方法。

一般標準型線性攝影機，擷取影像或待測物件時，每次僅掃瞄並積分單一水平線上的影像及照度。

當待測物件上的下一條影像進入攝影機的工作視野時，便立即陪動感測器曝光，之後就送出該條掃瞄線上的像素資料及訊號。

亦即，物件上的每一條影像，僅被感測器曝光積分壹次。

若以高感度型的攝影機而言，待測物件上的每一條影像則被重覆曝光與積分亮度多次，再將之累積加總。

所增加靈敏度的總額，則取決於用多少垂直方向的行列感測器，對同一條物件影像做曝光累積。

這些行列的多寡數目，又稱之為TDI型攝影機的積分階數，依款式與規格不同，通常可提供不同的解析度，譬如96，48，或24等不同階數。

某些款式，例如DALSA的EC-11-XXX40攝影機，僅提供固定96個階數的積分解析度，其它款式，例如CT-E4型攝影機，則可以依不同應用場合或檢測條件改變，由使用者自行決定使用多少階數，來進行影像擷取。

一般標準型線性攝影機，接收到由外部送到的觸發訊號時，首先要做的動作，就是把感測器上的所有像素資料，立即移入暫存器中，緊接著，儲存於暫存器上面的像素，便開始逐一傳送出攝影機。

在傳送像素資料進行中，感測器上緣的像素立即進行下一條水平影像的曝光動作。

等到所有像素資料完全被移出感測器之後，就不再留存任何資料於暫存器上。

當下次攝影機再被觸發啟動時，位落於感測器上的下一條像素訊號，又被移轉至暫存器，然後再逐一像素輸出。

當高感度型線性攝影機由外部接收到觸發訊號時，其內部感測器上，所有行列上的像素資料，就往下移動一個行列。

位於最下方的整列像素資料就全部移入暫存器中。

暫存器每次仍然只傳送出一個像素，而位於上緣的所有行列感測器，依舊進行正常的影像曝光。

等到暫存器完全傳送輸出其上緣所有像素資料後，另一個外部觸發訊號抵達攝影機，又啟動感測器上之全部行列，將個別像素資料往下一列移轉，同時再啟動暫存器的像素輸入動作。

這種逐列向下移動再逐步曝光與累積，重覆不斷的方法，可以大幅提升攝影機的靈敏度與感光度。

運用高感度攝影機進行影像擷取時，確實做好高速行進之待測物件與攝影機的同步機制，是重要且不可或缺的必要條件之一。

原因是當待測物體行經攝影機的工作視野範圍，同時由外部送入觸發信號，物體表面的同一條水平影像，必須在感測器上的每一階數，確實做到等距間隔的曝光成像。

如此進行，攝影機才得以針對待測物件表面上之同一位置，做多次曝光，直到移轉入輸出暫存器內部。

圖8的示意圖，大抵上，清楚說明運用於高感度線形攝影機的TDI技術原理與效應。

圖示中指出，當待測物件行經每一個感測階時，感測器在預設同步模式下，會在個別感測階與待測物件對準的同時，進行曝光成像。

個別感測階完成曝光後，會將其上緣的影像資料，往下移送到正好抵達同一位置的感測階，再進行一次的曝光成像。

如此連續的傳送及累積曝光，直到該物體影像傳送至輸出暫存器。

圖10，TDI型攝影機的工作原理

<高感度線性掃瞄應用的使用要點>

採用高感度型線性掃瞄攝影機的檢測系統，必須額外做好下列幾項考量，才能確保成像品質與判讀的正確性。

首先，感測器的排列方向，要與待測物件的行進方向成90度垂直。

另外，物件表面，同一位置，在手一個感測階上某一像素的曝光成像多寡，必須在最後的感測階的相同像素上成像。

反則會產生影像模糊現象。

待測物行進方向，與攝影機內部感測階累積前進的方向，彼此的相對關係，也是考量的重要因素之一。

你必須考慮到鏡頭成像所產生的鏡射倒立，以便確信物體行經攝影機視野的方向，與感測器上，累積前進的方向一致。

通常，高感度攝影機可分可選擇雙向（正向與反向），或單向傳送積分等兩種款式。

鏡頭的挑選，以及攝影機與待測物之間的工作距離，也是考慮的重點，目的是讓垂直方向的解析度，等同於水平解析度，以便能得到精確的影像。

換言之，如果根據檢測需要，成像後，水平方向個別像素寬度必須以維持特定數值，則垂直方向的個別像度高度，亦必須能達到同樣的單位。

高感度型線性掃瞄攝影機的缺點之一是無法由攝影機內部，啟動曝光控制的機制。

如果在系統的初期設計階段，即考慮使用進行曝光控制的方法，來克服可能的線性掃瞄速率變動，以及輔助光的變異性，就必須選擇其它方法，進行曝光調制。

例如，改採用某幾種瞬間燈點式的光源裝置，由於TDI型攝影機擁有高感度的優點，所以LED型的光源系統，不失為一種好的解決方案。

<結論>

在面臨各種不同的影像與視覺應用場合時，審慎評估，挑選適當的攝影機，常常是關係到整個系統或設備，是否能解決你的檢測需求的重要關鍵因素之一。

誠如本篇文章前文所提及的，矩陣式攝影機適用於靜態或慢速移動的待測物件圖像擷取，而線形掃瞄攝影機，則更適合用於擷取高速前進的物體，獲得清析且高品質的影像。

DALSA公司在線性掃瞄攝影機的產品與技術上，始終居於領先群的主要地位。

主要的標準產品款示特特色包括，解析度從512到8192像素，單一或多重輸出埠，彩色TDI型攝影機，可曝光控制，100%填充係數，以及所多迎合高階領域檢測應用所需的優點。

<附註>

1．本文譯自於DALSA公司網站（），相關內容及圖片，未經授權，請勿轉載或使用。

2．作者:

王新，現任職於泰洛科技股份有限公司。

（.tw）。