Промышленные камеры являются ключевыми компонентами систем машинного зрения. Их основная функция — преобразовывать световые сигналы в организованные электрические сигналы, тем самым позволяя получать цифровые изображения. Они широко используются в промышленном производстве, инспекции, измерениях и других областях. Принцип их визуализации напоминает точечную визуализацию, но он более сложен. Свет, отраженный от объекта, проходит через промышленный объектив, где преломляется и проецируется на светочувствительный датчик камеры. Обычно этот датчик представляет собой датчик-с зарядовой связью (ПЗС) или дополнительный металл-оксидный-полупроводниковый датчик (КМОП).
1. Принцип работы
Получение изображения:Свет, отраженный или переданный от объекта, собирается через объектив и фокусируется на датчике изображения.
Фотоэлектрическое преобразование:Датчик изображения (обычно CCD или CMOS) преобразует световые сигналы в электрические сигналы. Если взять в качестве примера CMOS-датчик, каждый пиксель содержит фотодиод, который при освещении генерирует заряд, пропорциональный интенсивности света, который затем преобразуется в сигнал напряжения.
Обработка сигнала:Усиленные электрические сигналы проходят через аналого--в-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Эти цифровые сигналы обрабатываются для формирования данных цифрового изображения, которые передаются на компьютеры или другие устройства для последующего анализа.
2. Основные характеристики промышленных камер
Высокая надежность:Промышленные камеры рассчитаны на длительную непрерывную работу, обеспечивая стабильную работу в суровых условиях, таких как высокие температуры, высокая влажность и вибрация.
Высокая производительность:Обеспечивает высокое разрешение, высокую частоту кадров, широкий динамический диапазон и высокую чувствительность, необходимые для точного контроля и высокоскоростной-съемки.
Модульная конструкция:Обычно использует модульную архитектуру для плавной интеграции в различное промышленное оборудование и системы.
Универсальные интерфейсы:Поддерживает несколько типов интерфейсов (например, GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) для удовлетворения различных требований к пропускной способности и расстоянию.
Гибкая конфигурация:Поддерживает несколько режимов запуска, управление экспозицией и функции обработки изображений для адаптации к различным сценариям применения.
3. Методы классификации.
По типу датчика изображения:
ПЗС-камеры:Обеспечивает высокое качество изображения и низкий уровень шума, превосходно работает в условиях низкой-освещенности, но требует более высоких затрат и энергопотребления. Камеры CMOS экономичны,-эффективны, потребляют мало-энергии и обеспечивают быстрое считывание данных, хотя качество изображения немного хуже.
По выходному цвету:Классифицируются как цветные камеры и монохромные (черно--и-белые камеры. Цветные камеры фиксируют богатую информацию о цвете объектов, подходящую для приложений, требующих точности цветопередачи, таких как проверка внешнего вида пищевых продуктов и проверка цвета печатных материалов; Монохромные камеры обладают большей светочувствительностью и превосходно обнаруживают вариации оттенков серого и детали текстуры объектов. Они обычно используются в сценариях, требующих высокой точности, таких как измерение размеров и обнаружение дефектов.
По методу сканирования:
Камеры зонального сканирования сразу захватывают полный кадр изображения, что подходит для обнаружения статических объектов или объектов, движущихся с низкой скоростью. Камеры с линейным-сканированием фиксируют одну строку изображения за раз, создавая полное изображение за счет относительного движения объекта и камеры. Они обычно используются для обнаружения движущихся объектов с высокой-скоростью и для высокоточных-точных- одномерных измерений, таких как поточный-контроль печатных материалов и поверхностный контроль металлических листов.
По типу выходного сигнала:аналоговые камеры и цифровые камеры.
По диапазону частот срабатывания:камеры видимого света (стандартные), инфракрасные камеры, ультрафиолетовые камеры и т. д.
4. Расчеты ключевых параметров
(1) Разрешение
Определение:Количество пикселей, захватываемых на кадр изображения, определяется разрешением датчика изображения камеры. Это представляет собой количество пикселей, расположенных в целевой плоскости датчика.
Влияние:Во время захвата изображения разрешение камеры существенно влияет на качество изображения. При визуализации того же поля зрения (диапазона сцены) более высокое разрешение обеспечивает более четкое представление деталей.
Представительство:Для камер с пространственным-сканированием разрешение обычно выражается двумя числами: горизонтальное (Г) и вертикальное (В) разрешение, например 1920(Г) x 1080(В). Первое число указывает количество пикселей в строке, а второе число указывает количество строк пикселей. Для камер с линейной-разверткой разрешение обычно обозначается в тысячах (K), например 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) и т. д.
Всего пикселей=пикселей по горизонтали × пикселей по вертикали
Пример:1920×1080=2073600 пикселей (приблизительно 2 миллиона пикселей)
(2) Глубина пикселей
Определение:Количество бит на пиксель, обычно выражаемое в битах.
Влияние:Глубина пикселей определяет насыщенность оттенков серого изображения. Большее количество бит расширяет возможности передачи деталей изображения, что приводит к более насыщенным и точным значениям оттенков серого. Однако это также увеличивает объем данных, что потенциально влияет на скорость обработки изображений системой.
Общие ценности:Чаще всего используется 8-битный формат. Цифровые камеры также могут иметь 10-битные, 12-битные или 14-битные конфигурации.
(3) Максимальная частота кадров/скорость линии
Определение:Скорость, с которой камера захватывает и передает изображения.
Представительство:Частота кадров обычно применяется к промышленным камерам-с сканированием области и измеряется в кадрах в секунду (кадров в секунду), например, 181 кадр/с означает, что камера может снимать до 181 кадра в секунду. Скорость линии применяется к промышленным камерам с линейной-разверткой и измеряется в кГц. Например, 80 кГц означает, что камера может захватывать до 80 000 строк данных изображения в секунду.
Влияние:Более высокая частота кадров/линейная частота позволяют камерам захватывать больше изображений в единицу времени, что делает их подходящими для сценариев, требующих быстрого захвата движения.
Метод расчета:Частота кадров=3 × Целевая скорость/Горизонтальное поле зрения; Частота линии=Скорость движения/Фактическая точность=Скорость движения × Разрешение/Поле обзора.
Определите необходимую частоту кадров на основе скорости движения объекта в сценарии приложения. Предполагая скорость объекта V (единица измерения: мм/с) и время экспозиции камеры T (единица измерения: с), при этом смещение объекта во время экспозиции не должно превышать размер одного пикселя P (единица измерения: мм), частота кадров F может быть равнарассчитывается как:F=1/T, где T меньше или равно P/V.
(4) Метод экспозиции и выдержка
Режим экспозиции:Для камер с линейной-разверткой типична экспозиция с прогрессивной разверткой. Камеры с зональным-сканированием обычно используют экспозицию кадра, экспозицию поля или экспозицию со скользящим затвором.
Скорость затвора:Обычно это достигается за время до 10 микросекунд, а высокоскоростные-камеры способны работать еще быстрее. Более короткая выдержка расширяет возможности камеры по захвату изображений, что делает их подходящими для сценариев с быстро меняющимися условиями освещения или движущимися объектами.
(5) Размер пикселей (Размер пикселей)
Определение:Пиксель — это наименьшая единица, составляющая цифровое изображение. Размер пикселя и количество пикселей (разрешение) совместно определяют размер целевой области камеры.
Общие ценности:Размеры пикселей промышленных камер обычно варьируются от 3 до 14 мкм.
Влияние:Пиксели большего размера улавливают больше фотонов, генерируя больший заряд при одинаковом освещении и условиях экспозиции, что потенциально обеспечивает более высокое качество изображения. Однако меньшие размеры пикселей увеличивают сложность производства.
Расчет:Зависит от разрешения и размеров сенсора камеры. Например, при размере сенсора Sa × Sb (горизонтальные × вертикальные размеры в мм) и разрешении камеры Na × Nb размер пикселя P (при условии квадратных пикселей) равен: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Спектральный диапазон
Определение:Относится к характеристикам чувствительности пиксельного датчика к различным длинам волн света.
Общий диапазон:Обычно реагирует на длину волны от 350 до 1000 нм. Некоторые камеры оснащены фильтром перед датчиком для блокировки инфракрасного света. Если для системы требуется чувствительность к инфракрасному излучению, этот фильтр можно снять.
(7) Тип интерфейса
Общие типы:Camera Link, Ethernet, 1394, выход USB и т. д. Новейший интерфейс — CoaXPress.
Влияние:Тип интерфейса определяет, как данные передаются между камерой и системами обработки изображений или другими устройствами. Выбор подходящего интерфейса обеспечивает стабильную и быструю передачу данных.
(8) Размер датчика
Определение:Физические размеры сенсора камеры, обычно выражаемые в дюймах (например, 1/2,3 дюйма) или миллиметрах (например, 12,8 мм × 9,6 мм).
Метод расчета:
Размер сенсора обычно указывается производителем, но его можно оценить по размерам пикселей и разрешению:
Ширина сенсора=Число пикселей по горизонтали × Размер пикселя
Высота сенсора=Число пикселей по вертикали × Размер пикселя
(9) Другие параметры
Динамический диапазон:Описывает количество уровней серого, которые может различать каждый пиксель. Широкий динамический диапазон позволяет четко передать детали как в ярких, так и в темных областях сцены.
Шум:Нежелательные сигналы, улавливаемые во время визуализации, которые не связаны с фактической целью визуализации. Согласно стандарту EMVA1288 Европейской ассоциации машинного зрения (EMVA), шум камеры подразделяется на два типа: дробовой шум, возникающий из эффективного сигнала, и собственный шум, присущий самой камере, независимый от сигнала.
5. Области применения и преимущества
Промышленные камеры широко используются для контроля качества на автоматизированных производственных линиях, системах машинного зрения, медицинской визуализации, логистике и складировании, надзоре за безопасностью, мониторинге дорожного движения, а также в военной и авиационной технике. К их преимуществам относятся:
Высокая производительность и стабильность:Промышленные камеры обеспечивают высокую стабильность изображения, надежные возможности передачи и высокую помехоустойчивость, что обеспечивает длительную стабильную работу в суровых условиях.
Высокая точность и возможности измерения:Благодаря захвату изображений с высоким-разрешением и точным алгоритмам анализа изображений промышленные камеры обеспечивают высокую-точность измерений и позиционирования.
Возможности высокоскоростной-съемки:Промышленные камеры с высокой-кадровой-частотой кадров быстро снимают динамичные изображения, что делает их пригодными для фотографирования и наблюдения за быстро-движущимися объектами.
Широкая адаптируемость:Различные типы промышленных камер удовлетворяют различным сценариям применения и требованиям, выполняя сложные задачи визуализации и анализа.
6. Известные бренды
Ведущие мировые бренды промышленных камер включают Cognex, Keyence, канадскую Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, японскую AVALDATA, южнокорейскую VIEWORKS, Daheng Imaging и Hikvision. Эти бренды высоко ценятся за исключительную производительность и широкую область применения.
Таким образом, промышленные камеры служат важнейшими компонентами систем машинного зрения, играя жизненно важную роль в промышленной автоматизации и интеллектуальном производстве. Путем выбора подходящих промышленных камер и интеграции передовых алгоритмов анализа изображений можно добиться более эффективного, точного и надежного автоматизированного производства и контроля качества.