13/07/2022A Integração de Atraso Temporal (TDI) é uma técnica de imagem que antecede a imagem digital, mas que ainda oferece enormes vantagens na vanguarda da imagem atual. Existem duas circunstâncias em que as câmeras TDI podem se destacar, ambas quando o objeto da imagem está em movimento:
1 – O objeto de imagem está inerentemente em movimento com velocidade constante, como na inspeção de materiais em bobina (como a digitalização de folhas de papel, plástico ou tecido em movimento para detectar defeitos e danos), linhas de montagem ou microfluídica e fluxos de fluidos.
2 – Objetos de imagem estáticos que podem ser fotografados por uma câmera movida de uma área para outra, seja movendo o objeto ou a câmera. Exemplos incluem digitalização de lâminas de microscópio, inspeção de materiais, inspeção de painéis planos etc.
Se alguma dessas circunstâncias se aplicar à sua área de imagem, esta página ajudará você a avaliar se a troca de câmeras convencionais de "varredura de área" bidimensionais por câmeras TDI de varredura linear pode melhorar a qualidade das suas imagens.
O problema com varredura de área e alvos móveis
● Desfoque de movimento
Alguns objetos de imagem estão em movimento por necessidade, como em fluxos de fluidos ou inspeção de materiais em bobina. Em outras aplicações, como digitalização de lâminas e inspeção de materiais, manter o objeto em movimento pode ser consideravelmente mais rápido e eficiente do que congelar o movimento para cada imagem adquirida. No entanto, para câmeras de varredura de área, se o objeto de imagem estiver em movimento em relação à câmera, isso pode representar um desafio.
O desfoque de movimento distorce a imagem de um veículo em movimento.
Em situações com pouca iluminação ou onde se exige alta qualidade de imagem, um longo tempo de exposição da câmera pode ser desejável. No entanto, o movimento do objeto espalhará sua luz por vários pixels da câmera durante a exposição, causando o "desfoque de movimento". Isso pode ser minimizado mantendo as exposições muito curtas – menores que o tempo que um ponto do objeto levaria para percorrer um pixel da câmera. Este é oungeralmente à custa de imagens escuras, ruidosas e, muitas vezes, inutilizáveis.
●Costura
Além disso, normalmente, a aquisição de imagens de objetos grandes ou contínuos com câmeras de varredura de área requer a obtenção de múltiplas imagens, que são posteriormente unidas. Essa união exige a sobreposição de pixels entre imagens vizinhas, reduzindo a eficiência e aumentando os requisitos de armazenamento e processamento de dados.
●Iluminação irregular
Além disso, a iluminação raramente será uniforme o suficiente para evitar problemas e artefatos nas bordas entre as imagens unidas. Ademais, fornecer iluminação com intensidade suficiente em uma área suficientemente grande para a câmera de varredura de área geralmente exige o uso de fontes de luz CC de alta potência e alto custo.
Iluminação irregular na junção de uma aquisição de múltiplas imagens do cérebro de um rato. Imagem de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
O que é uma câmera TDI e como ela ajuda?
Em câmeras convencionais de varredura de área bidimensional, a aquisição de uma imagem ocorre em três fases: reinicialização dos pixels, exposição e leitura. Durante a exposição, os fótons da cena são detectados, resultando em fotoelétrons, que são armazenados nos pixels da câmera até o final da exposição. Os valores de cada pixel são então lidos, formando uma imagem 2D. Em seguida, os pixels são reinicializados e todas as cargas são zeradas para que a próxima exposição possa ser iniciada.
No entanto, como mencionado, se o objeto da imagem estiver em movimento em relação à câmera, a luz do objeto pode se espalhar por vários pixels durante essa exposição, causando desfoque de movimento. As câmeras TDI superam essa limitação usando uma técnica inovadora. Isso é demonstrado na [Animação 1].
●Como funcionam as câmeras TDI
As câmeras TDI operam de maneira fundamentalmente diferente das câmeras de varredura de área. Conforme o objeto da imagem se move pela câmera durante a exposição, as cargas eletrônicas que compõem a imagem adquirida também se movem, mantendo-se sincronizadas. Durante a exposição, as câmeras TDI conseguem reorganizar todas as cargas adquiridas de uma linha de pixels para a seguinte, ao longo da câmera, sincronizadas com o movimento do objeto da imagem. À medida que o objeto se move pela câmera, cada linha (conhecida como "Estágio TDI") oferece uma nova oportunidade de expor a câmera ao objeto e acumular sinal.
Assim que uma sequência de cargas adquiridas atinge a extremidade da câmera, os valores são lidos e armazenados como uma fatia unidimensional da imagem. A imagem bidimensional é formada pela junção de cada fatia sucessiva da imagem à medida que a câmera as lê. Cada linha de pixels na imagem resultante rastreia e captura a mesma "fatia" do objeto fotografado, o que significa que, apesar do movimento, não há desfoque.
●Exposição 256 vezes mais longa
Com câmeras TDI, o tempo de exposição efetivo da imagem é dado pelo tempo total que um ponto no objeto leva para percorrer cada linha de pixels, com até 256 estágios disponíveis em algumas câmeras TDI. Isso significa que o tempo de exposição disponível é efetivamente 256 vezes maior do que o que uma câmera de varredura de área poderia alcançar.
Isso pode proporcionar uma de duas melhorias, ou um equilíbrio entre ambas. Em primeiro lugar, pode-se obter um aumento significativo na velocidade de captura de imagens. Comparado a uma câmera de varredura de área, o objeto da imagem pode se mover até 256 vezes mais rápido, capturando a mesma quantidade de sinal, desde que a taxa de linhas da câmera seja rápida o suficiente para acompanhar.
Por outro lado, se for necessária maior sensibilidade, um tempo de exposição mais longo pode permitir imagens de qualidade muito superior, menor intensidade de iluminação, ou ambos.
●Alto volume de transferência de dados sem necessidade de interconexão.
Como a câmera TDI produz uma imagem bidimensional a partir de fatias unidimensionais sucessivas, a imagem resultante pode ter o tamanho necessário. Enquanto o número de pixels na direção "horizontal" é determinado pela largura da câmera, por exemplo, 9072 pixels, o tamanho "vertical" da imagem é ilimitado e simplesmente determinado pelo tempo de operação da câmera. Com taxas de linha de até 510 kHz, isso permite uma enorme transferência de dados.
Em conjunto com isso, as câmeras TDI podem oferecer campos de visão muito amplos. Por exemplo, uma câmera de 9072 pixels com pixels de 5 µm proporciona um campo de visão horizontal de 45 mm com alta resolução. Para obter a mesma largura de imagem com uma câmera de varredura de área com pixels de 5 µm, seriam necessárias até três câmeras 4K lado a lado.
●Melhorias em relação às câmeras de varredura linear
As câmeras TDI não oferecem apenas melhorias em relação às câmeras de varredura de área. As câmeras de varredura linear, que capturam apenas uma única linha de pixels, também sofrem com muitos dos mesmos problemas de intensidade de iluminação e exposições curtas que as câmeras de varredura de área.
Embora, assim como as câmeras TDI, as câmeras de varredura linear ofereçam uma iluminação mais uniforme com uma configuração mais simples e evitem a necessidade de junção de imagens, elas geralmente exigem iluminação muito intensa e/ou movimento lento do objeto para capturar sinal suficiente para uma imagem de alta qualidade. As exposições mais longas e as velocidades de movimento mais rápidas do objeto que as câmeras TDI possibilitam permitem o uso de iluminação de menor intensidade e custo, melhorando a eficiência da imagem. Por exemplo, uma linha de produção pode substituir as lâmpadas halógenas de alto custo e alto consumo de energia, que requerem alimentação CC, por iluminação LED.
Como funcionam as câmeras TDI?
Existem três padrões comuns para obter imagens TDI em um sensor de câmera.
● CCD TDI– As câmeras CCD são o tipo mais antigo de câmeras digitais. Devido ao seu projeto eletrônico, alcançar o comportamento TDI em um CCD é comparativamente muito simples, com muitos sensores de câmera inerentemente capazes de operar dessa maneira. Portanto, os CCDs TDI estão em uso há décadas.
No entanto, a tecnologia CCD tem suas limitações. O menor tamanho de pixel comumente disponível para câmeras TDI CCD é de cerca de 12 µm x 12 µm – isso, juntamente com a baixa contagem de pixels, limita a capacidade das câmeras de capturar detalhes finos. Além disso, a velocidade de aquisição é menor do que a de outras tecnologias, enquanto o ruído de leitura – um fator limitante importante em imagens com pouca luz – é alto. O consumo de energia também é elevado, o que é um fator crucial em algumas aplicações. Isso levou ao desejo de criar câmeras TDI baseadas na arquitetura CMOS.
●TDI CMOS inicial: soma digital e no domínio da tensão
As câmeras CMOS superam muitas das limitações de ruído e velocidade das câmeras CCD, consumindo menos energia e oferecendo pixels menores. No entanto, o comportamento TDI era muito mais difícil de alcançar em câmeras CMOS, devido ao design de seus pixels. Enquanto os CCDs movem fisicamente os fotoelétrons de pixel para pixel para gerenciar o sensor, as câmeras CMOS convertem os sinais dos fotoelétrons em voltagens em cada pixel antes da leitura.
O comportamento do TDI em sensores CMOS vem sendo explorado desde 2001; no entanto, o desafio de como lidar com o acúmulo de sinal à medida que a exposição avança de uma linha para a seguinte era significativo. Dois métodos iniciais para TDI em CMOS, ainda utilizados em câmeras comerciais atualmente, são o acúmulo no domínio da tensão e a soma digital de TDI em CMOS. Em câmeras com acúmulo no domínio da tensão, à medida que cada linha de sinal é adquirida conforme o objeto da imagem se move, a tensão adquirida é adicionada eletronicamente à aquisição total daquela parte da imagem. Acumular tensões dessa forma introduz ruído adicional para cada estágio TDI extra adicionado, limitando os benefícios de estágios adicionais. Problemas com a linearidade também dificultam o uso dessas câmeras em aplicações de precisão.
O segundo método é a soma digital TDI. Nesse método, uma câmera CMOS opera efetivamente em modo de varredura de área com uma exposição muito curta, correspondente ao tempo necessário para o objeto da imagem se mover ao longo de uma única linha de pixels. No entanto, as linhas de cada quadro subsequente são somadas digitalmente de forma a produzir o efeito TDI. Como toda a câmera precisa ser lida para cada linha de pixels na imagem resultante, essa soma digital também adiciona o ruído de leitura para cada linha, limitando a velocidade de aquisição.
●O padrão moderno: CMOS TDI de domínio de carga ou CCD-on-CMOS TDI.
As limitações do TDI CMOS acima foram superadas recentemente com a introdução do TDI CMOS com acumulação de domínio de carga, também conhecido como TDI CCD-on-CMOS. O funcionamento desses sensores é demonstrado na [Animação 1]. Como o nome indica, esses sensores oferecem o movimento de cargas de um pixel para o próximo, semelhante ao de um CCD, acumulando sinal em cada estágio TDI por meio da adição de fotoelétrons no nível de cargas individuais. Isso resulta em um sistema praticamente livre de ruído. No entanto, as limitações do TDI CCD são superadas com o uso da arquitetura de leitura CMOS, possibilitando as altas velocidades, o baixo ruído e o baixo consumo de energia comuns às câmeras CMOS.
Especificações TDI: o que importa?
●Tecnologia:O fator mais importante é qual tecnologia de sensor é utilizada, conforme discutido anteriormente. O sensor CMOS TDI de domínio de carga proporcionará o melhor desempenho.
●Estágios TDI:Este é o número de linhas do sensor sobre as quais o sinal pode ser acumulado. Quanto mais estágios TDI uma câmera tiver, maior poderá ser seu tempo de exposição efetivo. Ou seja, mais rápido o objeto da imagem poderá se mover, desde que a câmera tenha taxa de linhas suficiente.
●Taxa de linha:Quantas linhas a câmera consegue ler por segundo. Isso determina a velocidade máxima de movimento que a câmera consegue acompanhar.
●Eficiência QuânticaIsso indica a sensibilidade da câmera à luz em diferentes comprimentos de onda, dada pela probabilidade de um fóton incidente ser detectado e produzir um fotoelétron. Uma maior eficiência quântica pode oferecer menor intensidade de iluminação ou operação mais rápida, mantendo os mesmos níveis de sinal.
Além disso, as câmeras diferem na faixa de comprimento de onda em que uma boa sensibilidade pode ser alcançada, com algumas câmeras oferecendo sensibilidade até a extremidade ultravioleta (UV) do espectro, em torno de 200 nm de comprimento de onda.
●Ruído de leitura:O ruído de leitura é o outro fator significativo na sensibilidade de uma câmera, determinando o sinal mínimo que pode ser detectado acima do nível de ruído da câmera. Com alto ruído de leitura, detalhes escuros não podem ser detectados e a faixa dinâmica é severamente reduzida, o que significa que é necessário usar iluminação mais forte, tempos de exposição mais longos e velocidades de movimento mais lentas.
Especificações TDI: o que importa?
Atualmente, as câmeras TDI são utilizadas para inspeção de bobinas, inspeção de eletrônicos e processos de fabricação, além de outras aplicações de visão computacional. Paralelamente, são utilizadas em aplicações desafiadoras em condições de baixa luminosidade, como imagens de fluorescência e digitalização de lâminas.
No entanto, com a introdução de câmeras CMOS TDI de alta velocidade, baixo ruído e alta sensibilidade, existe um grande potencial para aumentos de velocidade e eficiência em novas aplicações que antes utilizavam apenas câmeras de varredura de área. Como mencionamos no início do artigo, as câmeras TDI podem ser a melhor opção para alcançar altas velocidades e alta qualidade de imagem, tanto para capturar imagens de objetos em constante movimento quanto para situações em que a câmera possa ser utilizada para varredura de objetos estáticos.
Por exemplo, em uma aplicação de microscopia, poderíamos comparar a velocidade teórica de aquisição de uma câmera TDI de 9K pixels e 256 estágios com pixels de 5 µm com a de uma câmera de varredura de área de 12 MP com pixels de 5 µm. Vamos examinar a aquisição de uma área de 10 x 10 mm com ampliação de 20x através do movimento da platina.
1. O uso de uma objetiva de 20x com a câmera de varredura de área proporcionaria um campo de visão de imagem de 1,02 x 0,77 mm.
2. Com a câmera TDI, uma objetiva de 10x com ampliação adicional de 2x pode ser usada para superar qualquer limitação no campo de visão do microscópio, proporcionando um campo de visão horizontal de 2,3 mm.
3. Considerando uma sobreposição de pixels de 2% entre as imagens para fins de junção, 0,5 segundos para mover a plataforma para uma posição definida e um tempo de exposição de 10 ms, podemos calcular o tempo que a câmera de varredura de área levaria. Da mesma forma, podemos calcular o tempo que a câmera TDI levaria se a plataforma fosse mantida em movimento constante para escanear na direção Y, com o mesmo tempo de exposição por linha.
4. Nesse caso, a câmera de varredura de área exigiria a aquisição de 140 imagens, com 63 segundos gastos na movimentação da plataforma. A câmera TDI adquiriria apenas 5 imagens longas, com apenas 2 segundos gastos na movimentação da plataforma para a próxima coluna.
5. O tempo total gasto para adquirir a área de 10 x 10 mm seria de64,4 segundos para a câmera de varredura de área,e apenas9,9 segundos para a câmera TDI.
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