Выбор идеальной промышленной камеры для вашей визуальной системы

1. Введение в промышленные камеры

Промышленные камеры отличаются от камер в наших смартфонах или зеркальных фотоаппаратах. Они могут работать в жестких условиях, таких как высокая температура, высокое давление и пыль. Промышленные камеры в основном состоят из камер с массивом и камер с линейным сканированием.

Камеры с линейным сканированием используются в основном в сценариях, требующих высокой точности и быстрого перемещения, в то время как камеры с массивом имеют более широкий спектр применения.

Камеры линейного сканирования

Эти камеры имеют линейную конфигурацию и обычно используются в двух сценариях. Во-первых, они используются для контроля вытянутых, похожих на ленту полей зрения, часто на вращающихся барабанах. Во-вторых, их выбирают для приложений, требующих большого поля зрения с высокой точностью. Двумерные изображения, которые мы видим с помощью камер линейной развертки, формируются путем сканирования нескольких линий.

К преимуществам камер с линейной разверткой относятся большое количество одномерных пикселей, меньшее общее количество пикселей по сравнению с камерами с массивом, гибкие размеры пикселей и высокая частота кадров. Это делает их особенно подходящими для измерения одномерных динамических объектов.

Массивные камеры

Массивные камеры более широко используются в приложениях машинного зрения. Преимущество массивных ПЗС-камер заключается в их способности напрямую захватывать двумерную информацию, обеспечивая интуитивно понятные измерительные изображения.

Они могут использоваться для коротких выдержек, что полезно для съемки динамичных сцен, а также подходят для съемки статичных объектов. Поскольку я в основном использую камеры с массивом, этот раздел будет посвящен выбору камер с массивом.

2. Выбор промышленных камер

(1) ПЗС/КМОП

Для статичных объектов экономически эффективным вариантом являются камеры CMOS. Однако для движущихся объектов предпочтительнее использовать ПЗС-камеры. Если требуется высокоскоростная съемка - имеется в виду скорость сбора, а не скорость движения, - следует рассмотреть КМОП-камеры, обладающие более высокой скоростью сбора. Для получения высококачественных изображений, например, при измерении размеров, рекомендуется использовать ПЗС-камеры, поскольку они, как правило, превосходят КМОП в небольших датчиках.

Промышленные камеры CCD в основном используются для захвата изображений движущихся объектов и широко применяются в автоматизированных решениях для визуального контроля. С развитием технологии КМОП промышленные камеры КМОП становятся все более популярными благодаря своей низкой стоимости и энергопотреблению.

(2) Интерфейсы:

Передняя часть промышленной камеры предназначена для крепления объективов, и, как правило, они имеют стандартизированные профессиональные интерфейсы. На задней панели обычно расположены два интерфейса: интерфейс питания и интерфейс передачи данных.

Интерфейсы промышленных камер включают USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b, CoaXPress и другие. Здесь представлены лишь некоторые распространенные типы.

Интерфейс USB:

Поддержка "горячего" подключения, простота использования, стандартизация и унификация, подключение нескольких устройств и возможность питания через USB-кабель.

Однако у него нет стандартизированного протокола, а структура "ведущий-ведомый" отличается высокой загрузкой процессора и негарантированной пропускной способностью. Интерфейсы USB 3.0 могут питаться самостоятельно, но при нестабильном питании от USB можно использовать внешний источник питания.

Интерфейс Gigabit Ethernet:

Разработанная на основе протокола связи Gigabit Ethernet, она подходит для промышленных приложений визуализации, передающих несжатые видеосигналы по сети.

Он обладает хорошей расширяемостью, длиной передачи данных до 100 м (с возможностью неограниченного увеличения с помощью повторителей), пропускной способностью 1 Гбит для мгновенной передачи данных, использует стандартные сетевые карты (или предустановленные на ПК), экономичен и использует дешевые кабели (стандартные кабели Ethernet CAT-6) со стандартными разъемами. Она проста в интеграции, экономична и широко применима.

Интерфейс CameraLink:

Последовательный протокол связи, использующий стандарты интерфейса LVDS, известный высокой скоростью, сильной защитой от помех и низким энергопотреблением. Разработан на основе технологии Channel link, в него добавлены некоторые сигналы управления передачей и определены соответствующие стандарты. Протокол использует штырьковые разъемы MDR-26, обеспечивает высокую скорость с пропускной способностью до 6400 Мбит/с, сильную защиту от помех и низкое энергопотребление.

Интерфейсы Gige упрощают настройку нескольких камер, поддерживая вывод 100-метрового кабеля. Интерфейс Camera Link специально разработан для высокоскоростной передачи данных изображения. Интерфейсы USB 3.0 известны своей простотой и возможностями работы в режиме реального времени.

В настоящее время наиболее широко используемым интерфейсом в машинном зрении является интерфейс Gige (Ethernet), который имеет значительные преимущества перед другими интерфейсами по скорости передачи данных, расстоянию и стоимости.

(3) Разрешение

Разрешение - ключевой фактор при выборе камеры. Важно понимать взаимосвязь между разрешением, пикселями, точностью, размером пикселя и размером матрицы, поскольку эти термины часто путают.

Разрешение камеры - это количество пикселей, запечатленных на каждом изображении, обозначающее общее число светочувствительных чипов, обычно измеряемых миллионами и расположенных в виде матрицы.

Например, матрица пикселей миллионной камеры может иметь размер WxH = 1000×1000. Размер пикселей на разных устройствах различен, при этом каждый пиксель имеет определенное положение и назначенное значение цвета. Расположение и цвет этих пикселей определяют внешний вид изображения.

(4) Размер датчика

Размеры сенсоров (CCD/CMOS) могут сбить с толку, поскольку такие термины, как 1/1,8 дюйма или 2/3 дюйма, не относятся к какому-либо конкретному размеру или диагонали сенсора, что затрудняет представление об их реальном размере.

Размер матрицы влияет на поле зрения и рабочее расстояние. При увеличении размера матрицы при той же плотности пикселей увеличивается размер пикселя, что увеличивает светочувствительную площадь каждого пикселя и повышает качество изображения. При одинаковом рабочем расстоянии и объективе большая матрица позволяет захватить более широкое поле зрения.

(5) Размер пикселя

По разрешению камеры и размеру матрицы можно рассчитать размер пикселя:

Размер пикселя = размер матрицы / разрешение (количество пикселей)

Это позволяет получить размер пикселя по ширине и высоте.

Под размером пикселя понимается фактический физический размер каждого пикселя в массиве пикселей чипа, например 3,75 x 3,75 мм. В определенной степени размер пикселя отражает чувствительность чипа к свету. Более крупные пиксели могут принимать больше фотонов, производя больше электрического заряда при одинаковых условиях освещения и времени экспозиции.

Это особенно важно при съемке в условиях низкой освещенности, когда размер пикселя является показателем чувствительности чипа. Важно отличать этот показатель от разрешения камеры: меньшие значения разрешения означают более высокое разрешение, в то время как большие размеры пикселей означают более высокую чувствительность. Это два разных понятия.

(6) Точность

Точность - это размер реального объекта, представленного одним пикселем, выраженный в (um*um)/пиксель. Важно отметить, что размер пикселя - это не то же самое, что точность.

Размер пикселя - это фиксированная характеристика механической конструкции камеры, в то время как точность связана с полем зрения камеры и является переменной. Чем меньше значение точности, тем выше точность.

Размер, представленный одним пикселем = Ширина поля зрения / Разрешение по ширине = Высота поля зрения / Разрешение по высоте

Дополнительное примечание: Учитывая искажения на краю обзора камеры и требования к стабильности системы, мы обычно не приравниваем единицу пикселя к одному значению точности измерения.

Иногда, в зависимости от источника света, значение расчета увеличивается. При подсветке точность составляет 1~3 пикселя, а при прямом источнике света - 3~5 пикселей. Например, при использовании камеры с пикселями 500 Вт и разрешением 25002000 и поле зрения 100 мм80 мм:

• Размер одного пикселя = 0,04 мм
• Точность подсветки = 0,04 мм ~ 0,12 мм
• Точность прямого света = 0,12 мм ~ 0,20 мм

Важно понимать, что при расчете разрешения на основе известной точности для выполнения требований часто требуется камера с более высоким разрешением, чем расчетное значение.

(7) Разрешение изображения

Разрешение изображения относительно просто понять. Оно обозначает количество пикселей, используемых для отображения изображения на единицу расстояния, что схоже по концепции с точностью, но выражается по-другому.

Основные принципы отбора

Если поле зрения, т.е. размер цели, фиксировано (размер цели обычно рассматривается как поле зрения при выборе камеры), то чем больше разрешение камеры, тем выше точность и разрешение изображения.

Когда поле зрения не фиксировано, камеры с разным разрешением могут достигать одинаковой точности. В таких случаях выбор камеры с большим количеством пикселей позволяет расширить поле зрения, уменьшить количество необходимых снимков и увеличить скорость тестирования.

Например, если одна камера имеет 1 миллион пикселей, а другая - 3 миллиона, и обе имеют одинаковую четкость (точность 20um/pixel), то FOV первой камеры составляет 20 мм × 20 мм = 400 кв. мм, а FOV второй камеры - 1200 кв. мм. При захвате одинакового количества целей на производственной линии первой камере может потребоваться сделать 30 снимков, в то время как второй - только 10.