thigiacmay.comMột nhà máy màng nhựa muốn phát hiện lỗ kim và vệt bẩn trên cuộn khổ 1.300 mm chạy 60 m/phút. Đội kỹ thuật lắp thử ba camera công nghiệp độ phân giải cao chụp chồng nhau, kết quả là ảnh nhoè theo chiều chạy, mép ba vùng ảnh lệch sáng, và mỗi lần đổi tốc độ máy là phải chỉnh lại toàn bộ. Đây không phải lỗi camera: bài toán này thuộc về camera quét dòng.
Camera công nghiệp chia làm hai họ theo cách cảm biến được xếp: area-scan (camera vùng, cảm biến là một ma trận điểm ảnh, chụp cả khung một lần) và line-scan (camera quét dòng, cảm biến chỉ là một hàng điểm ảnh, ảnh được dựng dần khi vật chạy qua). Chọn sai họ camera là sai từ gốc, không sửa được bằng phần mềm. Bài viết so sánh hai họ theo đúng các đại lượng mà người mua phải quyết: khổ vật liệu, tốc độ, ánh sáng, băng thông và máy tính đi kèm. Thông số lấy từ trang chính thức của Basler và Teledyne Vision Solutions tại thời điểm viết.
Khác nhau ở đâu, chỉ bằng một hình
Ảnh trên nói gần hết câu chuyện: cảm biến của camera quét dòng là một dải hẹp. Nó không chụp được gì có ý nghĩa nếu vật đứng yên. Ảnh hai chiều chỉ hình thành khi vật (hoặc camera) chuyển động đều: mỗi lần cảm biến đọc xong một hàng, vật đã dịch đi đúng một bước, và hàng mới được xếp cạnh hàng cũ. Ảnh cuối cùng dài bao nhiêu là do người dùng quyết định, không do cảm biến.
Camera vùng thì ngược lại: cảm biến là ma trận, một lần kích hoạt cho ra một khung ảnh hoàn chỉnh. Vật có thể đứng yên, có thể đang bay qua — miễn là thời gian phơi sáng đủ ngắn để không nhoè.
Số liệu của hai đại diện
Để bàn bằng con số thay vì bằng khái niệm, lấy hai camera thật trên trang Basler:
| Thông số | Basler racer raL8192-12gm (quét dòng) | Basler ace 2 a2A5320-23umPRO (vùng) |
|---|---|---|
| Độ phân giải | 8192 px × 1 px | 5320 × 3032 px (16,1 MP) |
| Tốc độ | 12 kHz (12.000 dòng/giây) | 22,3 hình/giây ở toàn khung |
| Cảm biến | DR-8k-3.5 | Sony IMX542-AAMJ-C, màn trập toàn cục |
| Cỡ điểm ảnh | 3,5 × 3,5 µm | 2,74 × 2,74 µm |
| Giao tiếp | GigE | USB 3.0 (5 Gbit/s) |
| Ngàm ống kính | C-mount, F-mount, M42 × 0,75, M42 × 1, M58 × 0,75 | C-mount |
Chú ý chi tiết dễ bỏ qua ở dòng cuối. Cảm biến 8192 điểm ảnh cỡ 3,5 µm có chiều dài khoảng 28,7 mm (phép nhân của chúng tôi từ hai số của hãng). Đó là lý do camera quét dòng khổ lớn phải có ngàm F-mount, M42 hay M58: vòng ảnh của một ống kính C-mount thông thường không phủ nổi dải cảm biến dài như vậy. Nhiều dự án mua camera trước, đến khi lắp ống kính mới phát hiện phải đổi cả bộ ngàm và giá đỡ.
Khi nào bắt buộc là camera quét dòng
Bốn nhóm bài toán gần như luôn thuộc về camera quét dòng:
- Vật liệu dạng cuộn chạy liên tục: màng nhựa, giấy, vải, tôn cuộn, pin dạng điện cực. Không có "sản phẩm rời" để kích hoạt chụp, và ảnh cần liền mạch theo cả chiều dài cuộn.
- Khổ rộng nhưng cần độ phân giải cao: một dòng 8192 điểm ảnh phủ khổ 1.300 mm cho khoảng 0,159 mm cho mỗi điểm ảnh theo chiều ngang. Muốn cùng độ phân giải đó bằng camera vùng, phải ghép nhiều camera và xử lý chỗ nối.
- Vật hình trụ cần trải phẳng: chai, lon, trục, ống. Cho vật xoay đúng một vòng trước camera quét dòng thì ảnh thu được là bề mặt đã trải phẳng, không méo như khi chụp bằng camera vùng.
- Vật chạy không ngừng trên băng tải, đặc biệt khi sản phẩm nằm sát nhau nên không tách được từng khung.
Ngược lại, camera vùng là lựa chọn đúng cho vật rời rạc và có nhịp: kiểm tra linh kiện trên khay, đọc mã trên nắp hộp, kiểm tra mối hàn trên bảng mạch điện tử, đo kích thước chi tiết cơ khí sau khi định vị. Nó cũng rẻ hơn ở toàn bộ chuỗi: ống kính thường, đèn thường, không cần encoder, phần mềm dễ hơn.
Ba thứ phải tính trước khi chốt camera quét dòng
1. Tốc độ dòng cần thiết
Đây là phép tính bắt buộc, làm trên giấy trước khi hỏi giá. Muốn điểm ảnh vuông (độ phân giải theo chiều chạy bằng theo chiều ngang), tốc độ dòng phải bằng tốc độ vật liệu chia cho độ phân giải theo chiều chạy.
Với ví dụ đầu bài: khổ 1.300 mm, 8192 điểm ảnh ⇒ 0,159 mm cho mỗi điểm ảnh; vật chạy 60 m/phút tức 1.000 mm/s ⇒ cần khoảng 6.300 dòng/giây. Camera 12 kHz đáp ứng thoải mái, còn dư hai lần cho trường hợp tăng tốc độ máy. Nếu nhà máy nâng lên 150 m/phút, con số thành khoảng 15.700 dòng/giây — lúc đó phải đổi sang lớp camera nhanh hơn. Trên trang danh mục camera quét dòng, Basler nêu dải sản phẩm hiện có tới độ phân giải 16k và tốc độ dòng tới 500 kHz, nên dư địa kỹ thuật là có; điều cần tránh là mua sát ngưỡng rồi hết đường nâng cấp.
2. Ngân sách ánh sáng
Đây là chỗ phần lớn dự án đầu tiên thất bại. Ở 12.000 dòng/giây, thời gian phơi sáng cho một dòng nhỏ hơn 83 µs (phép chia của chúng tôi từ tốc độ dòng của hãng). Trong ngần ấy thời gian, một hàng điểm ảnh phải thu đủ ánh sáng để phân biệt được khuyết tật. Vì vậy hệ quét dòng gần như luôn đi với đèn dạng thanh công suất cao rọi tập trung đúng vào vạch mà cảm biến nhìn, và việc căn chỉnh vạch sáng trùng vạch nhìn là công đoạn lắp đặt tốn công nhất. Nếu bạn đang xây hệ đầu tiên, bài xây dựng một hệ thống thị giác máy mô tả trình tự chọn đèn — ống kính — camera theo đúng thứ tự nên làm.
3. Encoder, hay ảnh sẽ co giãn theo tốc độ máy
Nếu camera tự phát nhịp dòng theo đồng hồ nội bộ, mọi thay đổi tốc độ băng tải đều biến thành méo ảnh theo chiều chạy: máy chạy chậm thì ảnh bị kéo dài, tăng tốc thì ảnh bị nén. Cách xử lý tiêu chuẩn là lấy nhịp từ encoder gắn vào trục kéo vật liệu: mỗi xung encoder tương ứng một dòng ảnh. Việc đo lỗi theo đơn vị mi-li-mét chỉ đáng tin khi nhịp dòng bám theo chuyển động thật, không bám theo đồng hồ.
Băng thông và máy tính: phần hay bị bỏ quên
Camera quét dòng sinh dữ liệu liên tục, không có khoảng nghỉ giữa các khung như camera vùng. Với racer raL8192-12gm ở chế độ đơn sắc 8 bit, dòng dữ liệu là 8192 byte × 12.000 dòng/giây ≈ 98 MB/s (phép nhân của chúng tôi). Con số này gần chạm trần thực tế của một cổng Gigabit Ethernet, tức là card mạng, cáp và máy tính phải làm việc ở mức tải gần như tối đa suốt ca sản xuất.
Họ camera 5GigE nới trần đó ra. Teledyne công bố Linea2 "nhanh gấp 5 lần băng thông GigE cơ bản, 500 MB/s" và không cần frame grabber; hai mã đang niêm yết là L2-GC-04k04T-00 (4096 × 3 px, 40 kHz, điểm ảnh 7 µm) và L2-GC-04K03N-00 (4096 × 4 px, 30 kHz, đa phổ). Với tốc độ cao hơn nữa, đường đi thông thường là CoaXPress kèm frame grabber.
Hệ quả cho phần cứng: máy tính chạy hệ quét dòng không được chọn theo kiểu máy văn phòng cấu hình mạnh. Nó phải cấp đủ làn PCIe cho card giao tiếp, giữ nhiệt ổn định khi CPU tải liên tục nhiều giờ, chịu được bụi và rung ở chân dây chuyền, và chạy được nguồn 24 VDC của tủ điện. Đó là khác biệt giữa một máy tính mạnh và một máy tính công nghiệp; bài hướng dẫn chọn cấu hình máy tính công nghiệp nêu các tiêu chí chọn theo tải xử lý ảnh.
Bảng chọn nhanh theo bài toán
| Bài toán | Nên dùng | Lý do quyết định |
|---|---|---|
| Dò lỗi màng nhựa, giấy, vải khổ rộng chạy liên tục | Quét dòng | Không có khung để tách, cần độ phân giải đều trên toàn khổ |
| Kiểm tra nhãn và mã vạch trên chai chạy băng tải | Vùng | Sản phẩm rời, có cảm biến kích hoạt, chỉ cần một vùng nhỏ |
| Trải phẳng bề mặt trục, lon, ống tròn | Quét dòng | Vật xoay đều, ảnh trải phẳng không méo phối cảnh |
| Đo kích thước chi tiết cơ khí đặt trên bàn | Vùng | Vật đứng yên, quét dòng không dựng được ảnh |
| Phân loại bưu kiện chạy nhanh, sát nhau trên băng | Quét dòng | Sản phẩm nối đuôi nhau, chiều dài ảnh thay đổi theo kiện |
Câu hỏi thường gặp
Camera quét dòng có đắt hơn camera vùng nhiều không?
So sánh đúng phải tính cả hệ, không chỉ thân camera: ống kính vòng ảnh lớn, đèn thanh công suất cao, encoder và card giao tiếp thường chiếm phần lớn chênh lệch. Đổi lại, một camera quét dòng có thể thay cho nhiều camera vùng ghép ảnh, và bỏ được toàn bộ công việc xử lý chỗ nối giữa các vùng.
Có thể dùng camera vùng ở chế độ cắt dòng để thay camera quét dòng không?
Một số camera vùng cho phép giới hạn vùng quan tâm xuống vài hàng để tăng tốc độ khung. Cách này hữu ích khi thử nghiệm, nhưng không thay được camera quét dòng cho vật liệu cuộn: ảnh vẫn là các khung rời, vẫn phải ghép, và độ phân giải theo khổ ngang không tăng.
Vật liệu chạy không đều, có lúc dừng thì sao?
Đó chính là trường hợp bắt buộc phải lấy nhịp từ encoder. Khi vật dừng, encoder ngừng phát xung, camera ngừng thu dòng, và ảnh không bị nhân đôi vùng đứng yên. Hệ tự phát nhịp sẽ tạo ra một vệt dài vô nghĩa ở đúng chỗ băng tải dừng.
Nguồn tham khảo
- Basler racer raL8192-12gm — thông số camera quét dòng (baslerweb.com)
- Basler ace 2 a2A5320-23umPRO — specifications (docs.baslerweb.com)
- Line Scan Cameras — danh mục camera quét dòng (baslerweb.com)
- Teledyne DALSA Linea2 — 5GigE line scan camera (teledynevisionsolutions.com)
IPC247 hỗ trợ được gì
IPC247 phân phối máy tính công nghiệp và thiết bị phần cứng cho hệ thống thị giác máy tại Việt Nam. Với một dự án quét dòng, chúng tôi giúp kiểm tra phép tính tốc độ dòng và băng thông so với cấu hình dự kiến, đối chiếu ngàm ống kính với chiều dài cảm biến, chọn máy tính công nghiệp đủ làn PCIe và đủ tản nhiệt cho tải xử lý ảnh liên tục, cho mượn cấu hình chạy thử trước khi chốt, và hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình lắp đặt. Gửi cho chúng tôi khổ vật liệu, tốc độ dây chuyền và kích thước khuyết tật nhỏ nhất cần phát hiện, bạn sẽ nhận lại đề xuất cấu hình kèm thời gian giao hàng.
