De perfecte industriële camera voor uw visueel systeem kiezen

1. Inleiding tot industriële camera's

Industriële camera's verschillen van de camera's in onze smartphones of DSLR-camera's. Ze kunnen onder zware omstandigheden werken, zoals hoge temperaturen, hoge druk en stoffige omstandigheden. Ze kunnen in zware omstandigheden werken, zoals hoge temperaturen, hoge druk en stoffige omstandigheden. Industriële camera's bestaan voornamelijk uit array camera's en line scan camera's.

Line scan camera's worden vooral gebruikt in scenario's die een hoge precisie en snelle beweging vereisen, terwijl array camera's een breder toepassingsgebied hebben.

Lijnscancamera's

Deze camera's hebben een lineaire configuratie en worden meestal in twee scenario's gebruikt. Ten eerste worden ze gebruikt voor het inspecteren van langwerpige, bandachtige gezichtsvelden, vaak op draaiende trommels. Ten tweede worden ze gekozen voor toepassingen die een groot gezichtsveld met een hoge precisie vereisen. De tweedimensionale beelden die we zien van line scan camera's worden gevormd door meerdere line scans.

Voordelen van line scan camera's zijn onder andere de mogelijkheid om een hoog aantal eendimensionale pixels te hebben, minder totale pixels vergeleken met array camera's, flexibele pixelgroottes en hoge framesnelheden. Dit maakt ze bijzonder geschikt voor het meten van eendimensionale dynamische doelen.

Array Camera's

Array camera's worden steeds vaker gebruikt in machine vision toepassingen. Het voordeel van array CCD-camera's is dat ze rechtstreeks tweedimensionale beeldinformatie kunnen vastleggen, wat intuïtieve meetbeelden oplevert.

Ze kunnen gebruikt worden voor korte belichtingstijden, wat gunstig is voor het vastleggen van dynamische scènes, en zijn ook geschikt voor statische objecten. Omdat ik voornamelijk arraycamera's gebruik, zal dit gedeelte gaan over het selecteren van arraycamera's.

2. Industriële camera's selecteren

(1) CCD/CMOS

Voor statische onderwerpen zijn CMOS-camera's een kosteneffectieve optie. Voor bewegende onderwerpen zijn CCD camera's echter te verkiezen. Als snelle opnames vereist zijn - en dan bedoelen we verzamelsnelheid, niet bewegingssnelheid - dan moeten CMOS camera's, met hun superieure verzamelsnelheid, worden overwogen. Voor hoogwaardige beeldvorming, zoals het meten van afmetingen, zijn CCD's aan te bevelen, omdat deze over het algemeen beter presteren dan CMOS in kleine sensoren.

CCD industriële camera's worden voornamelijk gebruikt voor het vastleggen van beelden van bewegende objecten en worden veel gebruikt in geautomatiseerde visuele inspectieoplossingen. Met de vooruitgang van CMOS-technologie worden CMOS industriële camera's steeds populairder vanwege hun lage kosten en energieverbruik.

(2) Interfaces:

Aan de voorkant van een industriële camera kunnen lenzen worden bevestigd en ze hebben meestal gestandaardiseerde professionele interfaces. Aan de achterkant zitten meestal twee interfaces: een voedingsinterface en een gegevensinterface.

Industriële camera-interfaces zijn onder andere USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b en CoaXPress. Hier worden slechts enkele gangbare types geïntroduceerd.

USB-interface:

Ondersteunt hot-plugging, gebruiksgemak, gestandaardiseerd en uniform, sluit meerdere apparaten aan en kan gevoed worden via een USB-kabel.

Het mist echter een gestandaardiseerd protocol en heeft een master-slave structuur, met een hoog CPU-gebruik en ongegarandeerde bandbreedte. USB 3.0 interfaces kunnen zichzelf voeden, maar een externe voedingsbron kan worden gebruikt als de USB voeding instabiel is.

Gige Gigabit Ethernet-interface:

Het is ontwikkeld op basis van het Gigabit Ethernet-communicatieprotocol en is geschikt voor industriële beeldverwerkingstoepassingen, waarbij ongecomprimeerde videosignalen via een netwerk worden verzonden.

Het biedt een goede uitbreidbaarheid, met datatransmissielengtes tot 100m (onbeperkt uitbreidbaar met repeaters), een bandbreedte van 1Gbit voor directe datatransmissie, maakt gebruik van standaard NIC-kaarten (of die voorgeïnstalleerd zijn op PC's), is zuinig en maakt gebruik van goedkope kabels (standaard Ethernetkabels CAT-6) met standaard connectoren. Het is eenvoudig te integreren, kosteneffectief en breed toepasbaar.

CameraLink-interface:

Een serieel communicatieprotocol dat gebruik maakt van LVDS interface standaarden, bekend om zijn hoge snelheid, sterke anti-interferentie mogelijkheden en laag stroomverbruik. Het is ontwikkeld op basis van Channel link technologie, voegt enkele transmissiecontrolesignalen toe en definieert gerelateerde standaarden. Het protocol maakt gebruik van MDR-26 pins connectoren, biedt een hoge snelheid met een bandbreedte tot 6400 Mbps, sterke mogelijkheden tegen interferentie en een laag stroomverbruik.

Gige interfaces vereenvoudigen het instellen van meerdere camera's en ondersteunen 100 meter kabeluitgang. De Camera Link interface is speciaal ontworpen voor snelle beeldgegevens. USB 3.0 interfaces staan bekend om hun eenvoud en real-time mogelijkheden.

Momenteel is de meest gebruikte interface in machine vision de Gige (Ethernet) interface, die aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van andere interfaces in termen van transmissiesnelheid, afstand en kosten.

(3) Resolutie

Resolutie is een belangrijke factor bij het kiezen van een camera. Het is belangrijk om de relatie tussen resolutie, pixels, nauwkeurigheid, pixelgrootte en sensorgrootte te begrijpen, omdat deze termen vaak door elkaar worden gehaald.

Cameraresolutie verwijst naar het aantal pixels dat in elk beeld wordt vastgelegd en geeft het totale aantal lichtgevoelige chips aan, meestal gemeten in miljoenen en gerangschikt in een matrix.

Een camera met een miljoen pixels heeft bijvoorbeeld een pixelmatrix van BxH = 1000×1000. De pixelgrootte varieert per apparaat en elke pixel heeft een specifieke positie en toegewezen kleurwaarde. De rangschikking en kleur van deze pixels bepalen het uiterlijk van de afbeelding.

(4) Sensorformaat

Afmetingen van sensoren (CCD/CMOS) kunnen verwarrend zijn, omdat termen als 1/1,8 inch of 2/3 inch niet verwijzen naar een bepaalde afmeting of diagonaal van de sensor, waardoor het moeilijk is om de werkelijke grootte te begrijpen.

De sensorgrootte beïnvloedt het gezichtsveld en de werkafstand. Bij grotere sensorformaten met dezelfde pixeldichtheid neemt de pixelgrootte toe, waardoor het lichtgevoelige gebied van elke pixel groter wordt en de beeldkwaliteit verbetert. Bij dezelfde werkafstand en lens kan een grotere sensor een breder gezichtsveld vastleggen.

(5) Pixelgrootte

Met de cameraresolutie en de sensorgrootte kan de pixelgrootte worden berekend:

Pixelgrootte = sensorgrootte / resolutie (aantal pixels)

Dit geeft de pixelgrootte in zowel breedte als hoogte.

De pixelgrootte verwijst naar de werkelijke fysieke grootte van elke pixel op de pixelarray van de chip, zoals 3,75um x 3,75um. Tot op zekere hoogte weerspiegelt de pixelgrootte de reactie van de chip op licht. Grotere pixels kunnen meer fotonen ontvangen en meer elektrische lading produceren onder dezelfde lichtomstandigheden en belichtingstijd.

Dit is vooral relevant voor beeldvorming bij weinig licht, waarbij de pixelgrootte een indicator is voor de gevoeligheid van de chip. Het is cruciaal om dit te onderscheiden van de cameraresolutie: kleinere resolutiewaarden duiden op een hogere resolutie, terwijl grotere pixelgroottes een hogere gevoeligheid impliceren. Dit zijn twee verschillende concepten.

(6) Nauwkeurigheid

Nauwkeurigheid verwijst naar de grootte van het werkelijke object dat wordt weergegeven door een enkele pixel, uitgedrukt in (um*um)/pixel. Het is belangrijk op te merken dat pixelgrootte niet hetzelfde is als nauwkeurigheid.

De pixelgrootte is een vast kenmerk van de mechanische constructie van de camera, terwijl de nauwkeurigheid betrekking heeft op het gezichtsveld van de camera en variabel is. Hoe kleiner de nauwkeurigheidswaarde, hoe hoger de nauwkeurigheid.

De grootte vertegenwoordigd door één pixel = Breedte gezichtsveld / Resolutie breedte = Hoogte gezichtsveld / Resolutie hoogte

Extra opmerking: Gezien de vervorming aan de beeldrand van de camera en de stabiliteitsvereisten van het systeem, stellen we een enkele pixeleenheid over het algemeen niet gelijk aan één meetnauwkeurigheidswaarde.

Soms, afhankelijk van de lichtbron, wordt de rekenwaarde verhoogd. Met een achtergrondverlichting is de nauwkeurigheid 1~3 pixels, terwijl dit met een directe lichtbron 3~5 pixels is. Bijvoorbeeld, bij gebruik van een 500W pixel camera met een resolutie van 25002000 en een gezichtsveld van 100mm80 mm:

• Afmeting enkele pixel = 0,04 mm
• Nauwkeurigheid achtergrondverlichting = 0,04 mm ~ 0,12 mm
• Nauwkeurigheid direct licht = 0,12 mm ~ 0,20 mm

Het is belangrijk om te begrijpen dat bij het berekenen van de resolutie op basis van bekende nauwkeurigheid, een camera met een hogere resolutie dan de berekende waarde vaak nodig is om aan de eisen te voldoen.

(7) Beeldresolutie

Beeldresolutie is relatief eenvoudig te begrijpen. Het verwijst naar het aantal pixels dat wordt gebruikt om een afbeelding per afstandseenheid weer te geven.

Basisprincipes van selectie

Als het gezichtsveld, d.w.z. de doelgrootte, vastligt (de doelgrootte wordt over het algemeen beschouwd als het gezichtsveld bij het selecteren van een camera), geldt dat hoe hoger de cameraresolutie, hoe hoger de nauwkeurigheid en beeldresolutie.

Als het gezichtsveld niet vastligt, kunnen camera's met verschillende resoluties dezelfde nauwkeurigheid bereiken. In zulke gevallen kan het kiezen van een camera met grotere pixels het gezichtsveld vergroten, het aantal benodigde opnamen verminderen en de testsnelheid verhogen.

Als de ene camera bijvoorbeeld 1 miljoen pixels heeft en de andere 3 miljoen pixels, en beide hebben dezelfde helderheid (20um/pixel in nauwkeurigheid), dan is de FOV van de eerste camera 20mm×20mm = 400 vierkante mm, terwijl de FOV van de tweede camera 1200 vierkante mm is. Bij het vastleggen van hetzelfde aantal doelen op een productielijn moet de eerste camera misschien 30 beelden maken, terwijl de tweede camera er maar 10 hoeft te maken.