22/07/13Tímabundin samþætting (e. Time Delay Integration, TDI) er myndgreiningartækni sem er eldri en stafræn myndgreining – en býður samt upp á mikla kosti í fremstu röð myndgreiningar í dag. TDI myndavélar geta notið góðs af tveimur aðstæðum – bæði þegar myndefnið er á hreyfingu:
1 – Myndefnið er í eðli sínu í hreyfingu með föstum hraða, eins og við vefskoðun (eins og að skanna pappírs-, plast- eða efnisblöð í leit að göllum og skemmdum), samsetningarlínur eða örvökvafræði og vökvaflæði.
2 – Kyrrstæð myndgreining á viðfangsefnum sem hægt er að mynda með myndavél sem færist á milli staða, annað hvort með því að færa viðfangsefnið eða myndavélina. Dæmi eru skönnun á smásjárglærum, skoðun á efni, skoðun á flatskjám o.s.frv.
Ef annað hvort þessara aðstæðna á við um myndgreiningu þína, þá mun þessi vefsíða hjálpa þér að íhuga hvort það að skipta úr hefðbundnum tvívíddar „svæðisskönnunar“ myndavélum yfir í línuskönnunar TDI myndavélar gæti bætt myndgreininguna þína.
Vandamálið með svæðisskönnun og hreyfanlegum skotmörkum
● Hreyfiþoka
Sum myndefni eru nauðsynlega á hreyfingu, til dæmis við skoðun á vökvaflæði eða vef. Í öðrum forritum, svo sem við skönnun á glærum og efnisskoðun, getur það verið mun hraðara og skilvirkara að halda myndefninu á hreyfingu en að stöðva hreyfingu fyrir hverja mynd sem tekin er. Hins vegar, fyrir svæðisskönnunarmyndavélar, ef myndefnið er á hreyfingu miðað við myndavélina, getur þetta verið áskorun.
Hreyfiþoka sem skekkir mynd af ökutæki á hreyfingu
Í aðstæðum með takmarkaða lýsingu eða þar sem mikil myndgæði eru nauðsynleg gæti verið æskilegt að nota langan lýsingartíma myndavélarinnar. Hins vegar mun hreyfing viðfangsefnisins dreifa ljósi sínu yfir marga pixla myndavélarinnar meðan á lýsingu stendur, sem leiðir til „hreyfiþoku“. Þetta er hægt að lágmarka með því að halda lýsingum mjög stuttum – undir þeim tíma sem það tæki punkt á viðfangsefninu að fara yfir pixla myndavélarinnar. Þetta erunoftast á kostnað dökkra, hávaðasamra og oft ónothæfra mynda.
●Saumaskapur
Að auki krefst myndataka af stórum eða samfelldum myndefnum með svæðisskönnunarmyndavélum yfirleitt þess að taka margar myndir sem síðan eru saumaðar saman. Þessi sauma krefst þess að pixlar skörist milli nálægra mynda, sem dregur úr skilvirkni og eykur kröfur um geymslu og vinnslu gagna.
●Ójöfn lýsing
Þar að auki verður lýsingin sjaldan nægjanleg til að forðast vandamál og galla á mörkum samskeyta mynda. Einnig þarf oft að nota öflugar og dýrar jafnstraumsljósgjafa til að veita nægilegan styrkleika lýsingar á nógu stóru svæði fyrir svæðisskönnunarmyndavélina.
Ójöfn lýsing við saumaskap á mörgum myndum af heila músar. Mynd frá Watson o.fl. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Hvað er TDI myndavél og hvernig hjálpar hún?
Í hefðbundnum tvívíddarmyndavélum með flatarskanningum eru þrjú stig myndtöku: endurstilling pixla, lýsing og lestur. Við lýsingu eru ljóseindir frá vettvangi greindar, sem leiðir til ljósrafeinda, sem eru geymdar í pixlum myndavélarinnar þar til lýsing lýkur. Gildi hverrar pixlu eru síðan lesin út og tvívíddarmynd mynduð. Pixlarnir eru síðan endurstilltir og allar hleðslur hreinsaðar til að hefja næstu lýsingu.
Hins vegar, eins og áður hefur komið fram, ef myndefnið hreyfist miðað við myndavélina, getur ljósið frá myndefninu breiðst út yfir marga pixla við þessa lýsingu, sem leiðir til óskýrrar hreyfingar. TDI myndavélar vinna bug á þessari takmörkun með nýstárlegri tækni. Þetta er sýnt í [Hreyfimynd 1].
●Hvernig TDI myndavélar virka
TDI-myndavélar virka á grundvallaratriðum ólíkar svæðisskönnunarmyndavélum. Þegar myndefnið hreyfist yfir myndavélina meðan á lýsingu stendur, hreyfast rafeindahleðslurnar sem mynda myndina einnig og haldast samstilltar. Við lýsingu geta TDI-myndavélar fært allar hleðslur sem eru teknar úr einni röð pixla til þeirrar næstu, meðfram myndavélinni, samstilltar við hreyfingu myndefnisins. Þegar myndefnið hreyfist yfir myndavélina veitir hver röð (þekkt sem „TDI-stig“) nýtt tækifæri til að sýna myndefnið fyrir myndavélinni og safna merki.
Þegar röð af fengnum hleðslum nær enda myndavélarinnar eru gildin lesin út og geymd sem einvíddarsneið af myndinni. Tvívíddarmyndin er mynduð með því að líma saman hverja sneið af myndinni á eftir annarri á meðan myndavélin les þær. Hver röð pixla í myndinni fylgir og afritar sömu „sneið“ af myndefninu, sem þýðir að þrátt fyrir hreyfinguna er engin óskýrleiki.
●256x lengri lýsing
Með TDI-myndavélum er virkur lýsingartími myndarinnar gefinn upp sem heildartíminn sem það tekur punkt á viðfangsefninu að fara í gegnum hverja röð pixla, þar sem allt að 256 stig eru í boði á sumum TDI-myndavélum. Þetta þýðir að tiltækur lýsingartími er í raun 256 sinnum meiri en flatarskönnunarmyndavél gæti náð.
Þetta getur leitt til tveggja úrbóta eða jafnvægis milli beggja. Í fyrsta lagi er hægt að ná fram verulegri aukningu á myndvinnsluhraða. Í samanburði við svæðisskönnunarmyndavél getur myndefnið hreyfst allt að 256 sinnum hraðar og samt sem áður tekið upp sama magn af merki, að því gefnu að línuhraði myndavélarinnar sé nógu mikill til að halda í við.
Hins vegar, ef meiri næmni er nauðsynleg, gæti lengri lýsingartími gert kleift að taka myndir af mun betri gæðum, lækka birtustyrk eða hvort tveggja.
●Mikil gagnaflutningsgeta án samskeyta
Þar sem TDI myndavélin framleiðir tvívíddarmynd úr röðum einvíddar sneiða getur myndin orðið eins stór og þörf krefur. Þó að fjöldi pixla í „láréttri“ átt sé gefinn af breidd myndavélarinnar, til dæmis 9072 pixlar, er „lóðrétt“ stærð myndarinnar ótakmörkuð og einfaldlega ákvörðuð af því hversu lengi myndavélin er í gangi. Með allt að 510kHz línuhraða getur þetta skilað gríðarlegum gagnaflutningshraða.
Í bland við þetta geta TDI myndavélar boðið upp á mjög breitt sjónsvið. Til dæmis veitir 9072 pixla myndavél með 5µm pixlum lárétt sjónsvið upp á 45 mm með mikilli upplausn. Til að ná sömu myndbreidd með 5µm pixla skannmyndavél þarf allt að þrjár 4K myndavélar hlið við hlið.
●Úrbætur á línuskönnunarmyndavélum
TDI myndavélar bjóða ekki bara upp á úrbætur miðað við svæðisskönnunarmyndavélar. Línuskannandi myndavélar, sem taka aðeins eina línu af pixlum, þjást einnig af mörgum af sömu vandamálum varðandi lýsingarstyrk og stuttar lýsingar og svæðisskönnunarmyndavélar.
Þó að línuskönnunarmyndavélar, líkt og TDI-myndavélar, bjóði upp á jafnari lýsingu með einfaldari uppsetningu og forðist þörfina á myndsamsetningu, geta þær oft þurft mjög sterka lýsingu og/eða hæga hreyfingu myndefnisins til að fanga nægilegt merki fyrir hágæða mynd. Lengri lýsingartími og hraðari myndefnishraði sem TDI-myndavélar gera kleift þýðir að hægt er að nota lýsingu með lægri styrk og ódýrari lýsingu og bæta myndvinnsluskilvirkni. Til dæmis gæti framleiðslulína getað fært sig frá dýrum halogenperum sem nota mikla orku og þurfa jafnstraum yfir í LED-lýsingu.
Hvernig virka TDI myndavélar?
Það eru þrjár algengar staðlar fyrir hvernig á að ná TDI-myndgreiningu á myndavélarskynjara.
● CCD TDI– CCD myndavélar eru elsta gerð stafrænna myndavéla. Vegna rafrænnar hönnunar þeirra er tiltölulega mjög einfalt að ná fram TDI virkni á CCD, þar sem margir myndavélarskynjarar geta í eðli sínu virkað á þennan hátt. TDI CCD myndavélar hafa því verið í notkun í áratugi.
CCD-tækni hefur þó sínar takmarkanir. Minnsta pixlastærð sem almennt er fáanleg fyrir CCD TDI myndavélar er um 12µm x 12µm – þetta, ásamt litlum pixlafjölda, takmarkar getu myndavélanna til að greina fínar smáatriði. Þar að auki er hraði myndgreiningar lægri en með öðrum tækni, en lestrarhávaði – sem er mikilvægur takmarkandi þáttur í myndgreiningu í litlu ljósi – er mikill. Orkunotkun er einnig mikil, sem er mikilvægur þáttur í sumum forritum. Þetta leiddi til löngunar til að búa til TDI myndavélar byggðar á CMOS arkitektúr.
●Snemma CMOS TDI: Spennusvið og stafræn summa
CMOS myndavélar vinna bug á mörgum af hávaða- og hraðatakmörkunum CCD myndavéla, nota minni orku og bjóða upp á minni pixlastærðir. Hins vegar var TDI hegðun mun erfiðari að ná fram á CMOS myndavélum vegna pixlahönnunar þeirra. Þó að CCD myndavélar færi ljósnema líkamlega á milli pixla til að stjórna skynjaranum, breyta CMOS myndavélar merkjum í ljósnemum í spennu í hverjum pixli áður en þær eru lesnar út.
Hegðun TDI á CMOS skynjara hefur verið rannsökuð síðan 2001, en það var mikil áskorun hvernig eigi að meðhöndla „söfnun“ merkis þegar lýsing færist úr einni röð í þá næstu. Tvær snemma aðferðir við CMOS TDI sem enn eru notaðar í viðskiptamyndavélum í dag eru spennubundin uppsöfnun og stafræn summa TDI CMOS. Í spennubundnum uppsöfnunarmyndavélum, þegar hver röð merkis er aflað þegar myndefnið færist fram hjá, er aflaða spennan bætt rafrænt við heildarupptökuna fyrir þann hluta myndarinnar. Að safna spennum á þennan hátt veldur viðbótarhávaða fyrir hvert auka TDI stig sem er bætt við, sem takmarkar ávinninginn af viðbótar stigum. Vandamál með línuleika krefjast einnig notkunar þessara myndavéla fyrir nákvæmar notkunarmöguleika.
Önnur aðferðin er stafræn summa TDI. Í þessari aðferð keyrir CMOS myndavél í raun í svæðisskönnunarham með mjög stuttri lýsingu sem passar við þann tíma sem það tekur myndefni að hreyfa sig yfir eina röð af pixlum. En raðirnar úr hverjum ramma á eftir eru lagðar saman stafrænt á þann hátt að TDI áhrif myndast. Þar sem lesa þarf út alla myndavélina fyrir hverja röð af pixlum í myndinni sem myndast, bætir þessi stafræna samlagning einnig við lestrarsuðinum fyrir hverja röð og takmarkar hraða myndatökunnar.
●Nútímastaðallinn: hleðslusvæðis TDI CMOS, eða CCD-on-CMOS TDI
Takmörkunum CMOS TDI sem lýst er hér að ofan hefur verið yfirstigið nýlega með innleiðingu á hleðslusviðsuppsöfnunar-TDI CMOS, einnig þekkt sem CCD-á-CMOS TDI. Virkni þessara skynjara er sýnd í [Hreyfimynd 1]. Eins og nafnið gefur til kynna bjóða þessir skynjarar upp á CCD-líka hreyfingu hleðslna frá einum pixli til þeirrar næstu, og safna merki á hverju TDI-stigi með því að bæta við ljósrafeindum á stigi einstakra hleðslna. Þetta er í raun suðlaust. Hins vegar er hægt að yfirstíga takmarkanir CCD TDI með því að nota CMOS-lestrararkitektúr, sem gerir kleift að nýta mikinn hraða, lítið suð og litla orkunotkun sem er algeng í CMOS myndavélum.
TDI upplýsingar: hvað skiptir máli?
●Tækni:Mikilvægasti þátturinn er hvaða skynjaratækni er notuð eins og rætt er um hér að ofan. Charge-domain CMOS TDI mun skila bestu afköstunum.
●TDI stig:Þetta er fjöldi raða skynjarans þar sem hægt er að safna merki. Því fleiri TDI-stig sem myndavél hefur, því lengri getur virkur lýsingartími hennar verið. Eða, því hraðar getur myndefnið hreyfst, að því gefnu að myndavélin hafi nægjanlegan línuhraða.
●Línuhraði:Hversu margar raðir myndavélin getur lesið á sekúndu. Þetta ákvarðar hámarkshraða hreyfingarinnar sem myndavélin getur fylgst með.
●KvantanýtniÞetta gefur til kynna ljósnæmi myndavélarinnar á mismunandi bylgjulengdum, sem er gefið upp með líkunum á að innfallandi ljóseind greinist og framleiði ljósrafeind. Meiri skammtanýtni getur boðið upp á minni lýsingarstyrk eða hraðari notkun án þess að merkjastigin séu óbreytt.
Að auki eru myndavélar mismunandi eftir bylgjulengdarbili þar sem góð næmi er hægt að ná, þar sem sumar myndavélar bjóða upp á næmi alla leið niður í útfjólubláa (UV) enda litrófsins, við um 200 nm bylgjulengd.
●Lestu hávaða:Lestrarsuð er annar mikilvægur þáttur í næmi myndavélarinnar og ákvarðar lágmarksmerkið sem hægt er að greina fyrir ofan suðgrunn myndavélarinnar. Með miklu lestrarsuði er ekki hægt að greina dökk einkenni og breytilegt svið minnkar verulega, sem þýðir að nota verður bjartari lýsingu eða lengri lýsingartíma og hægari hreyfingarhraða.
TDI upplýsingar: hvað skiptir máli?
Eins og er eru TDI-myndavélar notaðar til vefskoðunar, skoðunar á rafeindatækni og framleiðslu og annarra vélrænna sjóntækja. Samhliða þessu eru einnig krefjandi forrit í lítilli birtu eins og flúrljómunarmyndataka og skönnun á glærum.
Hins vegar, með tilkomu hraðvirkra, lágsuðlægra og næmra TDI CMOS myndavéla, eru miklir möguleikar á aukinni hraða og skilvirkni í nýjum forritum sem áður notuðu aðeins svæðisskönnunarmyndavélar. Eins og við kynntum í upphafi greinarinnar gætu TDI myndavélar verið besti kosturinn til að ná miklum hraða og hágæða myndgæðum, annað hvort til að taka myndir af viðfangsefnum sem eru þegar í stöðugri hreyfingu eða þar sem hægt er að skanna myndavélina yfir kyrrstæð myndefni.
Til dæmis, í smásjárforriti, gætum við borið saman fræðilegan hraða mælinga á 9K pixla, 256 stigs TDI myndavél með 5 µm pixlum við 12MP myndavél með svæðisskönnun og 5 µm pixlum. Við skulum skoða að mæla 10 x 10 mm svæði með 20-faldri stækkun með því að færa sviðið.
1. Með því að nota 20x objektiv með svæðisskönnunarmyndavélinni fæst sjónsvið sem er 1,02 x 0,77 mm.
2. Með TDI myndavélinni mætti nota 10x objektiv með 2x viðbótarstækkun til að vinna bug á takmörkunum í sjónsviði smásjárinnar og skila 2,3 mm láréttu sjónsviði.
3. Miðað við 2% skörun pixla milli mynda til að sauma saman, 0,5 sekúndur til að færa sviðið á ákveðinn stað og 10 ms lýsingartíma, getum við reiknað út þann tíma sem svæðisskönnunarmyndavélin myndi taka. Á sama hátt getum við reiknað út þann tíma sem TDI-myndavélin myndi taka ef sviðið væri haldið í stöðugri hreyfingu til að skanna í Y-átt, með sama lýsingartíma á línu.
4. Í þessu tilviki þyrfti svæðismyndavélin 140 myndir til að taka, og það tæki 63 sekúndur að færa sviðið. TDI-myndavélin myndi aðeins taka 5 langar myndir og aðeins 2 sekúndur að færa sviðið í næstu dálk.
5. Heildartíminn sem fer í að afla 10 x 10 mm svæðisins væri64,4 sekúndur fyrir svæðisskönnunarmyndavélina,og bara9,9 sekúndur fyrir TDI myndavélina.
Ef þú vilt kanna hvort TDI myndavél gæti hentað notkun þinni og þörfum, hafðu samband við okkur í dag.
