¿Alguna vez se ha preguntado cómo elegir la cámara industrial adecuada para su sistema visual? Seleccionar la cámara perfecta implica conocer los distintos tipos, como las cámaras de matriz y de barrido lineal, y tener en cuenta factores como la resolución, el tamaño del sensor y los tipos de interfaz. Este artículo desglosa estos aspectos críticos, ayudándole a tomar una decisión informada para satisfacer sus necesidades específicas en diversos entornos industriales. Al final del artículo, dispondrá de los conocimientos necesarios para mejorar sus sistemas de inspección visual de forma eficaz.
Las cámaras industriales difieren de las cámaras de nuestros smartphones o cámaras DSLR. Pueden funcionar en entornos difíciles, como altas temperaturas, altas presiones y condiciones polvorientas. Las cámaras industriales se componen principalmente de cámaras de matriz y cámaras de barrido lineal.
Las cámaras de barrido lineal se utilizan principalmente en situaciones que requieren gran precisión y movimientos rápidos, mientras que las cámaras de matriz tienen una gama de aplicaciones más amplia.
Estas cámaras tienen una configuración lineal y suelen utilizarse en dos situaciones. En primer lugar, se utilizan para inspeccionar campos de visión alargados, similares a bandas, a menudo en tambores giratorios. En segundo lugar, se eligen para aplicaciones que requieren un gran campo de visión con alta precisión. Las imágenes bidimensionales que vemos de las cámaras de barrido lineal están formadas por múltiples barridos lineales.
Entre las ventajas de las cámaras de barrido lineal se incluyen la capacidad de tener un elevado número de píxeles unidimensionales, menos píxeles totales en comparación con las cámaras de matriz, tamaños de píxel flexibles y altas frecuencias de imagen. Esto las hace especialmente adecuadas para medir objetivos dinámicos unidimensionales.
Las cámaras de matriz se utilizan más en aplicaciones de visión artificial. La ventaja de las cámaras CCD de matriz es su capacidad para capturar directamente información de imagen bidimensional, lo que proporciona imágenes de medición intuitivas.
Pueden utilizarse para tiempos de exposición cortos, lo que resulta beneficioso para captar escenas dinámicas, y también son adecuadas para objetos estáticos. Dado que utilizo principalmente cámaras de matriz, esta sección se centrará en la selección de cámaras de matriz.
Para objetos estáticos, las cámaras CMOS son una opción rentable. Sin embargo, para objetivos en movimiento, son preferibles las cámaras CCD. Si se requiere una adquisición de alta velocidad -en referencia a la velocidad de captación, no a la velocidad de movimiento-, deben considerarse las cámaras CMOS, con sus velocidades de captación superiores. Para imágenes de alta calidad, como la medición de tamaños, se recomiendan los CCD, ya que suelen superar a los CMOS en sensores pequeños.
Las cámaras industriales CCD se utilizan principalmente para captar imágenes de objetos en movimiento y se emplean ampliamente en soluciones automatizadas de inspección visual. Con el avance de la tecnología CMOS, las cámaras industriales CMOS son cada vez más populares debido a su bajo coste y consumo de energía.
La parte frontal de una cámara industrial sirve para acoplar objetivos, y suelen tener interfaces profesionales estandarizadas. En la parte trasera suele haber dos interfaces: una de alimentación y otra de datos.
Las interfaces de cámaras industriales incluyen USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b, CoaXPress y otras. Aquí sólo se presentan algunos tipos comunes.
Interfaz USB:
Admite la conexión en caliente, es fácil de usar, está estandarizado y unificado, conecta varios dispositivos y se puede alimentar mediante un cable USB.
Sin embargo, carece de un protocolo estandarizado y tiene una estructura maestro-esclavo, con un elevado uso de CPU y un ancho de banda no garantizado. Las interfaces USB 3.0 pueden autoalimentarse, pero puede utilizarse una fuente de alimentación externa si la alimentación USB es inestable.
Interfaz Gigabit Ethernet Gige:
Desarrollado sobre la base del protocolo de comunicación Gigabit Ethernet, es adecuado para aplicaciones de imagen industrial, transmitiendo señales de vídeo sin comprimir a través de una red.
Ofrece una buena capacidad de ampliación, con longitudes de transmisión de datos de hasta 100 m (ampliables indefinidamente con repetidores), un ancho de banda de 1 Gbit para la transmisión instantánea de datos, utiliza tarjetas NIC estándar (o las preinstaladas en los PC), es económica y utiliza cables baratos (cables Ethernet estándar CAT-6) con conectores estándar. Es fácil de integrar, rentable y ampliamente aplicable.
Interfaz CameraLink:
Protocolo de comunicación en serie que utiliza estándares de interfaz LVDS, conocido por su alta velocidad, gran capacidad antiinterferente y bajo consumo. Desarrollado a partir de la tecnología Channel Link, añade algunas señales de control de transmisión y define normas relacionadas. El protocolo utiliza conectores MDR-26, ofrece alta velocidad con un ancho de banda de hasta 6400 Mbps, gran capacidad antiinterferente y bajo consumo.
Las interfaces Gige simplifican la configuración de varias cámaras y admiten una salida de cable de 100 metros. La interfaz Camera Link está diseñada específicamente para las necesidades de datos de imagen de alta velocidad. Las interfaces USB 3.0 son conocidas por su sencillez y sus capacidades en tiempo real.
Actualmente, la interfaz más utilizada en visión artificial es la interfaz Gige (Ethernet), que ofrece ventajas significativas sobre otras interfaces en términos de velocidad de transmisión, distancia y coste.
La resolución es un factor clave a la hora de elegir una cámara. Es importante entender la relación entre resolución, píxeles, precisión, tamaño del píxel y tamaño del sensor, ya que estos términos suelen confundirse.
La resolución de la cámara se refiere al número de píxeles capturados en cada imagen, lo que indica el número total de chips sensibles a la luz, que suelen medirse en millones y estar dispuestos en una matriz.
Por ejemplo, una cámara de un millón de píxeles puede tener una matriz de píxeles de WxH = 1000×1000. El tamaño de los píxeles varía según el dispositivo, y cada píxel tiene una posición específica y un valor de color asignado. La disposición y el color de estos píxeles determinan el aspecto de la imagen.
Los tamaños de los sensores (CCD/CMOS) pueden resultar confusos, ya que términos como 1/1,8 pulgadas o 2/3 pulgadas no hacen referencia a ninguna dimensión o diagonal concreta del sensor, lo que dificulta conceptualizar su tamaño real.
| Tipo de sensor | Línea diagonal (mm) | Anchura (mm) | Altura (mm) |
| 1/3" | 6.000 | 4.800 | 3.600 |
| 1/2.5 | 7.182 | 5.760 | 4.290 |
| 1/2" | 8.000 | 6.400 | 4.800 |
| 1.8" | 8.933 | 7.176 | 5.319 |
| 2/3" | 11.000 | 8.800 | 6.600 |
| 1″ | 16.000 | 12.800 | 9.600 |
| 4/3" | 22.500 | 18.800 | 18.500 |
El tamaño del sensor afecta al campo de visión y a la distancia de trabajo. Con tamaños de sensor más grandes con la misma densidad de píxeles, el tamaño de los píxeles aumenta, lo que aumenta el área sensible a la luz de cada píxel y mejora la calidad de la imagen. Con la misma distancia de trabajo y el mismo objetivo, un sensor más grande puede capturar un campo de visión más amplio.
Con la resolución de la cámara y el tamaño del sensor, se puede calcular el tamaño del píxel:
Tamaño del píxel = Tamaño del sensor / Resolución (número de píxeles)
Así se obtiene el tamaño del píxel tanto en anchura como en altura.
El tamaño de píxel se refiere al tamaño físico real de cada píxel de la matriz de píxeles del chip, como 3,75um x 3,75um. Hasta cierto punto, el tamaño de los píxeles refleja la capacidad de respuesta del chip a la luz. Los píxeles más grandes pueden recibir más fotones, produciendo más carga eléctrica en las mismas condiciones de iluminación y tiempo de exposición.
Esto es especialmente importante en las imágenes con poca luz, donde el tamaño de los píxeles es un indicador de la sensibilidad del chip. Es crucial distinguir esto de la resolución de la cámara: los valores de resolución más pequeños indican una mayor resolución, mientras que los tamaños de píxel más grandes implican una mayor sensibilidad. Se trata de dos conceptos distintos.
La precisión se refiere al tamaño del objeto real representado por un solo píxel, expresado en (um*um)/píxel. Es importante tener en cuenta que el tamaño del píxel no es lo mismo que la precisión.
El tamaño del píxel es una característica fija de la construcción mecánica de la cámara, mientras que la precisión está relacionada con el campo de visión de la cámara y es variable. Cuanto menor sea el valor de precisión, mayor será la exactitud.
El tamaño representado por un solo píxel = Anchura del campo visual / Resolución de la anchura = Altura del campo visual / Resolución de la altura
Nota adicional: Teniendo en cuenta la distorsión en el borde de visión de la cámara y los requisitos de estabilidad del sistema, generalmente no equiparamos una unidad de píxel con un valor de precisión de medición.
A veces, dependiendo de la fuente de luz, el valor de cálculo aumenta. Con una luz de fondo, la precisión es de 1~3 píxeles, mientras que con una fuente de luz directa, es de 3~5 píxeles. Por ejemplo, utilizando una cámara de 500W píxeles con una resolución de 25002000 y un campo de visión de 100 mm80 mm:
Es importante entender que cuando se calcula la resolución basándose en una precisión conocida, a menudo es necesaria una cámara con una resolución mayor que el valor calculado para cumplir los requisitos.
La resolución de imagen es relativamente fácil de entender. Se refiere al número de píxeles utilizados para mostrar una imagen por unidad de distancia, similar en concepto a la precisión pero expresado de forma diferente.
Cuando el campo de visión, es decir, el tamaño del objetivo, es fijo (el tamaño del objetivo suele considerarse el campo de visión al seleccionar una cámara), cuanto mayor sea la resolución de la cámara, mayor será la precisión y la resolución de la imagen.
Cuando el campo de visión no es fijo, cámaras con resoluciones diferentes pueden alcanzar la misma precisión. En estos casos, elegir una cámara con píxeles más grandes puede ampliar el campo de visión, reducir el número de disparos necesarios y aumentar la velocidad de las pruebas.
Por ejemplo, si una cámara tiene 1 millón de píxeles y otra 3 millones, y ambas tienen la misma nitidez (20um/píxel de precisión), el FOV de la primera cámara es de 20mm×20mm = 400 mm cuadrados, mientras que el FOV de la segunda cámara es de 1200 mm cuadrados. Si se captura el mismo número de objetivos en una línea de producción, es posible que la primera cámara necesite tomar 30 imágenes, mientras que la segunda sólo tendría que tomar 10.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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