Промислові камери є ключовими компонентами систем машинного зору. Їх основною функцією є перетворення світлових сигналів в організовані електричні сигнали, що дозволяє отримати цифрові зображення. Вони широко використовуються в промисловому виробництві, інспекції, вимірюванні та інших сферах. Їхній принцип отримання зображень нагадує зображення обскури, але є більш складним. Світло, відбите від об’єкта, проходить через промисловий об’єктив, де заломлюється та проектується на фоточутливий датчик камери. Цей датчик зазвичай є пристроєм із зарядовим-зв’язком (ПЗС) або датчиком комплементарного метало-оксиду-напівпровідника (CMOS).
1. Принцип роботи
Отримання зображення:Світло, відбите або пропущене від об’єкта, збирається через об’єктив і фокусується на датчик зображення.
Фотоелектричне перетворення:Датчик зображення (зазвичай CCD або CMOS) перетворює світлові сигнали в електричні. Для прикладу CMOS-сенсора кожен піксель містить фотодіод, який під час освітлення генерує заряд, пропорційний інтенсивності світла, який потім перетворюється на сигнал напруги.
Обробка сигналу:Посилені електричні сигнали проходять через аналого{0}}-цифровий перетворювач (АЦП) для перетворення аналогових сигналів у цифрові. Ці цифрові сигнали обробляються для формування даних цифрового зображення, які передаються на комп’ютери чи інші пристрої для подальшого аналізу.
2. Основні характеристики промислових камер
Висока надійність:Промислові камери розроблені для тривалої безперервної роботи, забезпечуючи стабільну роботу в суворих умовах, таких як високі температури, висока вологість і вібрація.
Висока продуктивність:Забезпечує високу роздільну здатність, високу частоту кадрів, широкий динамічний діапазон і високу чутливість, щоб задовольнити вимоги до точного огляду та високо-швидкісного захоплення.
Модульна конструкція:Зазвичай використовує модульну архітектуру для бездоганної інтеграції в різноманітне промислове обладнання та системи.
Універсальні інтерфейси:Підтримує кілька типів інтерфейсів (наприклад, GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress), щоб відповідати різним вимогам до пропускної здатності та відстані.
Гнучка конфігурація:Підтримує кілька режимів запуску, керування експозицією та функції обробки зображень для адаптації до різноманітних сценаріїв застосування.
3. Методи класифікації
За типом датчика зображення:
CCD камери:Запропонуйте високу якість зображення та низький рівень шуму, відмінні в умовах слабкого-освітлення, але відрізняйтеся вищою ціною та енергоспоживанням. Камери CMOS економічні-, мають низьку-енергоспоживання та мають швидке зчитування даних, хоча якість зображення дещо нижча.
За кольором виводу:Класифікуються як кольорові та монохромні (чорно-та-білі) камери. Кольорові камери фіксують насичену кольорову інформацію об’єктів, придатну для додатків, які вимагають точності кольору, наприклад перевірка зовнішнього вигляду їжі та перевірка кольору друкованих матеріалів; Монохромні камери виявляють більшу світлочутливість і чудово виявляють варіації відтінків сірого та деталі текстури об’єктів. Вони зазвичай використовуються в сценаріях, що вимагають високої точності, таких як вимірювання розмірів і виявлення дефектів.
За способом сканування:
Камери зонального сканування захоплюють одразу повний кадр зображення, що підходить для виявлення статичних об’єктів або тих, що рухаються на низькій швидкості. Камери лінійного-сканування захоплюють один рядок зображення за раз, створюючи повне зображення через відносний рух між об’єктом і камерою. Вони зазвичай використовуються для виявлення об’єктів, що рухаються з високою{3}}швидкістю, і високо{4}}точних одновимірних-вимірів, таких як-поточна перевірка друкованих матеріалів і перевірка поверхні металевих листів.
За типом вихідного сигналу:аналогові та цифрові камери.
За діапазоном частот відгуку:камери видимого світла (стандартні), інфрачервоні камери, ультрафіолетові камери тощо.
4. Обчислення ключових параметрів
(1) Роздільна здатність
визначення:Кількість пікселів, знятих на кадр зображення, визначається роздільною здатністю датчика зображення камери. Це означає кількість пікселів, розташованих на цільовій площині датчика.
Вплив:Під час захоплення зображення роздільна здатність камери значно впливає на якість зображення. При зображенні того самого поля зору (діапазону сцени) вища роздільна здатність дає більш виразне представлення деталей.
представництво:Для камер-сканування роздільна здатність зазвичай виражається двома числами: горизонтальною (H) і вертикальною (V) роздільною здатністю, наприклад, 1920(H) x 1080(V). Перше число вказує на кількість пікселів у рядку, а друге число вказує на кількість рядків пікселів. Для камер із лінійним-скануванням роздільна здатність зазвичай позначається в тисячах (K), наприклад 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) тощо.
Загальна кількість пікселів=горизонтальних пікселів × вертикальних пікселів
приклад:1920 × 1080=2, 073 600 пікселів (приблизно 2 мільйони пікселів)
(2) Глибина пікселя
визначення:Кількість бітів на піксель, як правило, виражається в бітах.
Вплив:Глибина пікселів визначає насиченість відтінків сірого зображення. Більше бітів покращує здатність виражати деталі зображення, що призводить до більш насичених і тонких значень градацій сірого. Однак це також збільшує обсяг даних, потенційно впливаючи на швидкість обробки зображень системою.
Загальні значення:Найчастіше використовується 8-бітний. Цифрові камери також можуть мати 10-бітну, 12- або 14-бітну конфігурацію.
(3) Максимальна частота кадрів/швидкість рядків
визначення:Швидкість, з якою камера фіксує та передає зображення.
представництво:Частота кадрів зазвичай застосовується до промислових камер-сканування, вимірюється в кадрах за секунду (кадрів за секунду), наприклад, 181 кадр за секунду означає, що камера може знімати до 181 кадру за секунду. Лінійна швидкість застосовується до промислових камер лінійного-сканування, вимірюється в кГц, наприклад, 80 кГц означає, що камера може отримувати до 80 000 рядків даних зображення за секунду.
Вплив:Вища частота кадрів/частота рядків дозволяє камерам знімати більше зображень за одиницю часу, що робить їх придатними для сценаріїв, які вимагають швидкого захоплення руху.
Метод розрахунку:Частота кадрів=3 × цільова швидкість / горизонтальне поле зору; Частота лінії=Швидкість руху / Фактична точність=Швидкість руху × Роздільна здатність / Поле зору.
Визначте необхідну частоту кадрів на основі швидкості руху об'єкта в прикладному сценарії. Припускаючи, що швидкість об’єкта V (одиниця: мм/с) і час експозиції камери T (одиниця: с), де зміщення об’єкта під час експозиції не має перевищувати один розмір пікселя P (одиниця: мм), частота кадрів F може бутирозраховується як:F=1/T, де T Менше або дорівнює P/V.
(4) Метод експозиції та швидкість затвора
Режим експозиції:Для камер із лінійним-скануванням експозиція прогресивного сканування є типовою. Камери зонального-сканування зазвичай використовують кадрову експозицію, експозицію в полі або експозицію з рухомим затвором.
Витримка:Зазвичай досягається до 10 мікросекунд, а високошвидкісні-камери здатні працювати ще швидше. Більш короткі витримки покращують здатність камери знімати зображення, що робить їх придатними для сценаріїв зі швидкими змінами умов освітлення або рухомих об’єктів.
(5) Розмір пікселя (розмір пікселя)
визначення:Піксель - це найменша одиниця, яка складає цифрове зображення. Розмір пікселя та кількість пікселів (роздільна здатність) разом визначають розмір цільової області камери.
Загальні значення:Розміри пікселів промислової камери зазвичай коливаються від 3 мкм до 14 мкм.
Вплив:Більші пікселі захоплюють більше фотонів, генеруючи більший заряд за однакових умов освітлення та експозиції, потенційно забезпечуючи вищу якість зображення. Однак менші розміри пікселів збільшують складність виготовлення.
Розрахунок:Залежить від роздільної здатності та розмірів датчика камери. Наприклад, враховуючи розмір датчика Sa × Sb (розміри по горизонталі × вертикалі в мм) і роздільну здатність камери Na × Nb, розмір пікселя P (припускаючи квадратні пікселі) становить: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Спектральний діапазон
визначення:Відноситься до характеристик чутливості піксельного датчика до різних довжин хвиль світла.
Загальний діапазон:Зазвичай реагує на діапазон від 350 нм до 1000 нм. Деякі камери містять фільтр перед датчиком, щоб блокувати інфрачервоне світло. Якщо для системи потрібна інфрачервона чутливість, цей фільтр можна видалити.
(7) Тип інтерфейсу
Поширені типи:Camera Link, Ethernet, 1394, вихід USB тощо. Останнім інтерфейсом є CoaXPress.
Вплив:Тип інтерфейсу визначає спосіб передачі даних між камерою та системами обробки зображень або іншими пристроями. Вибір відповідного інтерфейсу забезпечує стабільну та швидку передачу даних.
(8) Розмір датчика
визначення:Фізичні розміри датчика камери, зазвичай виражені в дюймах (наприклад, 1/2,3") або міліметрах (наприклад, 12,8 мм × 9,6 мм).
Метод розрахунку:
Розмір датчика зазвичай надається виробником, але його можна оцінити за розмірами в пікселях і роздільною здатністю:
Ширина датчика=кількість пікселів по горизонталі × розмір пікселя
Висота датчика=вертикальна кількість пікселів × розмір пікселя
(9) Інші параметри
Динамічний діапазон:Описує кількість рівнів сірого, які може розрізняти кожен піксель. Широкий динамічний діапазон забезпечує чітке захоплення деталей як у яскравих, так і в темних областях сцени.
Шум:Небажані сигнали, зафіксовані під час візуалізації, які не пов’язані з фактичною метою візуалізації. Відповідно до стандарту EMVA1288 Європейської асоціації машинного бачення (EMVA), шум камери загалом поділяють на два типи: ударний шум, отриманий від ефективного сигналу, і внутрішній шум самої камери, незалежний від сигналу.
5. Сфери застосування та переваги
Промислові камери широко використовуються для контролю якості на автоматизованих виробничих лініях, системах машинного зору, медичних візуалізацій, логістики та складування, відеоспостереження, моніторингу руху, а також у військових і авіаційних застосуваннях. До їх переваг можна віднести:
Висока продуктивність і стабільність:Промислові камери пропонують високу стабільність зображення, надійні можливості передачі та стійкість до перешкод, що забезпечує тривалу стабільну роботу в суворих умовах.
Висока точність і можливості вимірювання:Завдяки зйомці зображень із високою-роздільністю та точним алгоритмам аналізу зображень промислові камери забезпечують високу{1}}точність вимірювань і позиціонування.
Високо{0}}можливості зйомки:Промислові камери з високою-частотою- кадрів швидко фіксують динамічні зображення, що робить їх придатними для фотографування та моніторингу об’єктів,-що рухаються.
Широка адаптивність:Різноманітні типи промислових камер задовольняють різноманітні сценарії застосування та вимоги, виконуючи складні завдання зображення та аналізу.
6. Відомі бренди
До провідних світових брендів промислових камер належать Cognex, Keyence, канадська Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, японська AVALDATA, південнокорейська VIEWORKS, Daheng Imaging і Hikvision. Ці бренди високо цінуються за виняткову ефективність і широкі сфери застосування.
Таким чином, промислові камери є критично важливими компонентами систем машинного зору, відіграючи життєво важливу роль у промисловій автоматизації та інтелектуальному виробництві. Вибравши відповідні промислові камери та інтегрувавши передові алгоритми аналізу зображення, можна досягти більш ефективного, точного та надійного автоматизованого виробництва та контролю якості.