Какие фотодатчики используются в сканерах

Обновлено: 20.11.2024

Измерение трехмерной формы сложных объектов упрощает роботизированным системам измерение формы и объема.

Измерение трехмерной формы сложных объектов упрощает роботизированным системам измерение формы и объема

Эндрю Уилсон, редактор

Во многих приложениях машинного зрения и обработки изображений необходимо измерять трехмерные характеристики объекта. Можно использовать ряд различных датчиков, в том числе 3D-сканеры на основе структурированного лазерного излучения, системы проекционных световых полос и датчики времени пролета (TOF).

Когда датчики такого типа используются в сочетании с роботизированными системами, можно создавать точные трехмерные модели объектов, системы рендеринга, способные точно измерять лопатки турбин, измерять объем продуктов, обратного проектирования и медицинских приложений.

Структурированный свет

Одним из наиболее распространенных методов оцифровки трехмерных объектов является использование структурированного лазерного излучения. В одном из вариантов этого метода лазерная линия проецируется на деталь, а отраженный свет оцифровывается одной или несколькими высокоскоростными камерами. По мере того как свет перемещается по детали или наоборот, отдельные двухмерные изображения линейного сканирования показывают профили поверхности или карты дальности объекта. Затем их можно преобразовать в декартовы координаты в виде трехмерного облака точек и использовать для реконструкции трехмерного изображения объекта.

Во многих готовых структурированных световых системах для выполнения этой функции используется один лазер и камера. Однако, поскольку камера может оцифровывать информацию только в пределах своего поля зрения, объекты с четкими контурами могут привести к картам дальности с окклюзиями или теневыми областями. Поэтому часто необходимо использовать системы с двумя камерами, которые смотрят на объект под разными углами. Зарегистрировав, а затем объединив профили обеих этих камер, можно создать более точную карту дальности.

При установке на роботов системы трехмерного сканирования могут предоставлять трехмерные данные о деталях для таких приложений, как подводная разведка, проверка очень крупных деталей и роботизированные машины для захвата и размещения. На кафедре океанотехники Университета Род-Айленда доцент Крис Роман оснастил дистанционно управляемый аппарат Hercules (ROV) структурированной лазерной системой визуализации для создания батиметрических карт высокого разрешения подводных археологических памятников (см. рис. 1). ).

В системах, разработанных Aqsense и Roman, для выполнения этой задачи используются отдельные лазеры и камеры; для выполнения той же задачи доступны комбинированные проекционные и видеосистемы. Одним из преимуществ использования таких продуктов является то, что, поскольку лазерный источник и камера размещены в одном блоке, лазер и блок камеры предварительно откалиброваны.

Продукт IVC-3D от SICK IVP, предназначенный для самостоятельной установки, недавно был развернут компанией ThyssenKrupp Krause, производителем систем сборки силовых агрегатов «под ключ» для производителей автомобилей. Установленная на роботе от ABB система запрограммирована на сканирование ряда деталей, включая блоки цилиндров, головки цилиндров и картеры трансмиссии. После создания трехмерной модели положения объекта камера определяет координаты приближения робота, который затем берет товар и укладывает его на поддон.

Световая проекция

Хотя данные сканеров структурированного лазерного излучения можно использовать для создания наиболее точных трехмерных моделей, существуют и другие методы. Методы структурированного лазерного излучения проецируют одну сканирующую лазерную полосу на объект, который нужно отобразить. Более быстрый метод — спроецировать и обработать несколько полос с помощью откалиброванной камеры и системы проектора видимого света.

В этих системах проектор, часто основанный на микросхеме цифрового светового проектора (DLP) Texas Instruments, используется для проецирования серии диаграмм интенсивности на интересующую сцену. В таких системах каждый паттерн смещается на долю своего периода по отношению к предыдущему паттерну, чтобы покрыть весь период. Отраженные изображения с фазовым сдвигом затем захватываются камерой, вычисляется относительная фазовая карта изображения и вычисляются координаты точек поверхности на изображении.

Как и их аналоги со структурированным освещением, эти сканеры можно использовать в автономных конфигурациях или в сочетании с роботом для оцифровки трехмерных объектов в более широкой перспективе. В прошлом году компания 3D Dynamics продемонстрировала, как ее система Mephisto использовалась для оцифровки биологических образцов, которые либо высушивались в воске, либо консервировались в формальдегиде (см. «Стандартные камеры и проекторы объединяются для трехмерного сканирования», Vision). Systems Design, февраль 2010 г.).

С помощью DLP от InFocus изображения с фазовым сдвигом низкого разрешения проецировались на образцы и записывались с помощью камеры Pike F210B FireWire с ПЗС-матрицей 1920 × 1080 пикселей от Allied Vision Technologies. Когда эти изображения были сняты, 12-мегапиксельная потребительская камера EOS DSLR от Canon также использовалась для передачи субпиксельных данных из синусоидальных узоров, проецируемых на изображения со сдвигом по фазе. Затем данные передаются на хост-компьютер, а изображения реконструируются в 3D.

Исследователи из Института судебной медицины Бернского университета развили эту концепцию, разработав систему, известную как Virtobot, для проведения виртуальных вскрытий (см. рис. 2). Майкл Тали и его коллеги использовали Tritop Atos III, комбинированный световой проектор и сканер от GOM, прикрепленный к роботу от Fanuc, чтобы спроецировать световую полосу на исследуемый труп.

Время полета

Альтернативные подходы к структурированному лазерному свету и проецированию видимого света используют системы TOF, которые используют встроенные источники света и камеры для захвата трехмерных данных. Измерения дальности основаны на принципе TOF, при котором импульс света излучается лазерным сканером, и записывается время, необходимое для его возвращения. Используя известную постоянную скорость света, можно рассчитать дальность до цели. Для выполнения трехмерного сканирования больших площадей такие компании, как Riegl, разработали сканеры, обеспечивающие вертикальное отклонение лазера с помощью вращающегося многоугольника с рядом отражающих поверхностей. Затем получают горизонтальное сканирование кадра, поворачивая оптическую головку на 360° (см. рис. 3).

Компании PMD Technologies и ifm efector разработали камеры на основе этой технологии. последний недавно продемонстрировал систему, предназначенную для измерения размеров поддона, когда он находится под 7-футовым порталом. Измеряя площадь примерно 6 × 4 фута, система могла определить минимальный размер объекта 1 × 1 дюйм (см. «Системы трехмерных измерений верифицируют упаковку поддонов», Vision Systems Design, сентябрь 2009 г.). ).

Такие датчики TOF также можно устанавливать на роботов для обеспечения трехмерного управления. GEA Farm Technologies совместно с LMI Technologies адаптировали свой дальномер Tracker 4000 3-D TOF для разработки роботизированной системы доения коров (см. «Got milk», Vision Systems Design, июль 2009 г.). Датчик зрения устанавливается на приводной стороне манипулятора робота и позволяет одновременно проверять положение доильного стакана и сосков коровы. Это позволяет роботу автоматически устанавливать доильные стаканы.

Основные технологии включены в сканеры и принтеры.
Наш бизнес в СНГ поддерживается запатентованными технологиями.

Контактные датчики изображения (CIS) Canon Components встроены в сканеры для преобразования печатного текста и изображений в цифровые данные, а также в широкий спектр других продуктов сторонних производителей в различных областях, требующих высокоточного сканирования, таких как в качестве считывателей банкнот и дефектоскопов для промышленного оборудования. Благодаря нашему гибкому реагированию на расширение рынков и диверсификацию потребностей клиентов компания Canon Components CIS пользуется большой популярностью на мировом рынке.

Устройства, включая датчики изображения

CIS, что означает контактный датчик изображения, представляет собой датчик считывания изображения, использующий светодиоды в качестве источника света со встроенными линзами и ИС датчика для формирования изображения. Наш CIS используется в качестве устройств чтения изображений в самых разных продуктах, так как он легко интегрируется в продукты.

Многофункциональные струйные принтеры

Многофункциональные лазерные принтеры

Цифровые сетевые многофункциональные
принтеры/копировальные устройства

Серия IDC (промышленный цифровой контактный датчик изображения)

Canon Components, Inc. уже много лет производит контактные датчики изображения для потребительских товаров, которые являются ключевой частью устройств чтения изображений.
Серия IDC — это высокотехнологичные и высококачественные контактные датчики изображения, специально разработанные и разработанные для индустрии контроля изображений.

（Camera Link является зарегистрированным товарным знаком AIA）

Серия IDC (промышленный цифровой контактный датчик изображения)

Технология СНГ

Чтобы обеспечить достаточное количество светодиодного света в своем СНГ, Canon Components неустанно исследует и разрабатывает угол установки светодиодов, форму световода, направляющего светодиодный свет на документ, и другие аспекты, что позволяет использовать свет источники в идеальном порядке. Кроме того, мы приобрели большое количество связанных патентов.
CIS потребляет менее одной десятой электроэнергии, используемой системами уменьшения изображения на основе ПЗС. Это не только представляет собой важное экологическое преимущество, но также играет важную роль в обеспечении работы сканеров с питанием от шины USB, которым не требуется источник питания переменного тока. Кроме того, сканирующий компонент составляет 1/10–1/20 размера компонентов на основе ПЗС.

Оптическая технология

Световод — один из важнейших компонентов технологии LIDE.
Компания Canon Components постоянно совершенствует свою продукцию, чтобы соответствовать строгим требованиям наших клиентов к характеристикам (яркость, однородность, глубина освещения и т. д.), на основе нашей запатентованной, проверенной временем технологии. Точность конструкции световода повышена за счет полного использования оптического моделирования, что также сократило использование прототипов и время, необходимое для разработки.

Как и в случае с печатью, для выполнения работы требуется специальное оборудование — сканер. Сканер изображений – это электронное устройство ввода, предназначенное для оцифровки изображений: оно преобразует физический документ в электронный файл, который может обработать компьютер.

Подобно тому, как человеческий мозг распознает только то, что визуально наблюдается, компьютер может читать документы только тогда, когда он располагает их изображением. Что ж, сканер — это периферийное устройство компьютера, которое генерирует это изображение и отправляет его на компьютер. Сканер — это глаз компьютера!

Когда люди или животные что-то наблюдают, световые волны ("фотоны") падают на сетчатку их глаз. Фотоны — это постепенно колеблющиеся волны или «аналоговые» данные. Компьютеры говорят на другом языке: цифровом языке единиц и нулей .

Сканер преобразует физические изображения в растровую графику — файлы изображений, — которые могут быть обработаны компьютером. Сканер «пролистывает» документ слева направо и сверху вниз, чтобы создать его изображение. Сканеры делят документ на сетку пикселей и записывают попиксельно то, что видит датчик.

( Гил Амелио, бывший генеральный директор компаний National Semiconductor (приобретена Texas Instruments в 2011 году) и Apple (до второго пришествия Стива Джобса), был одним из соавторов ПЗС-матрицы в начале 70-х!)

Сканеры большого формата используют одну из двух систем обработки изображений: ПЗС (устройство с зарядовой связью) или CIS (контактный датчик изображения).

CIS — это интегрированный модуль, который включает в себя систему освещения, оптическую систему и светочувствительную систему — все в одном компактном компоненте.

Как и ПЗС-матрица, CIS воспринимает свет, падающий на ее кремниевую поверхность, и, как и ПЗС-матрица, кремниевая поверхность разделена на квадратные ячейки. Однако, в отличие от ПЗС, размер каждой ячейки на поверхности кремния такой же, как и размер захватываемой информации (например, в сканере с разрешением 600 точек на дюйм каждая ячейка имеет размер 1/600 дюйма в поперечнике), а информация записывается в масштабе 1:1. Поскольку не требуется уменьшения или увеличения, расстояние между сканируемым документом и датчиком очень мало (~13 мм — следовательно, контактный датчик изображения).

Оптическая система представляет собой массив стержневых линз, который направляет свет с поверхности документа на поверхность кремния.

Поскольку оптический путь короткий и простой, производство качественных широкоформатных сканеров CIS дешевле, чем качественных ПЗС-сканеров, они легче и компактнее, надежнее и портативнее и практически не требуют калибровки.

Подсветка обеспечивается одним или двумя наборами светоизлучающих диодов (LED), которые светят по световоду или направляющим, которые, в свою очередь, направляют свет на документ.В каждом наборе три светодиода (красный, зеленый, синий). Они либо быстро стробируются, чтобы обеспечить цветное изображение при сканировании, либо светятся одновременно, чтобы обеспечить точное совмещение черно-белого сканирования.

Поскольку светодиодам не требуется время для прогрева (в отличие от люминесцентных ламп), широкоформатные сканеры CIS можно использовать, как только они включены, и их можно выключать, когда они не используются. Кроме того, светодиоды потребляют меньше энергии, чем люминесцентные лампы, загораются только во время сканирования, работают неограниченно долго (без расходных материалов) и экологически безопасны — светодиоды содержат компоненты, подлежащие вторичной переработке, и не содержат ртути.

Недостаток красных, зеленых и синих светодиодов заключается в том, что они не могут обеспечить такую ​​же широкую цветовую гамму или динамический диапазон, как белые люминесцентные лампы или белые светодиоды с цветными фильтрами, используемые в широкоформатных ПЗС-сканерах. Это означает, что сканеры большого формата CIS не подходят для фотоматериалов или документов, где важна целостность цвета и детализация теней.

Однако четкость сканов, создаваемых широкоформатными сканерами CIS, делает их идеально подходящими для сканирования мелких деталей и тонких линий в технических документах, где точная цветопередача не требуется.

Широкоформатные сканеры Colortrac SmartLF Cx+ 40, Ci 24 и Ci 40 используют системы обработки изображений CIS.

Читайте также: