Camerele industriale sunt componente cheie în sistemele de viziune artificială. Funcția lor fundamentală este de a converti semnalele luminoase în semnale electrice organizate, permițând astfel achiziția de imagini digitale. Sunt utilizate pe scară largă în producția industrială, inspecție, măsurare și alte domenii. Principiul lor de imagistică seamănă cu imagistica pinhole, dar este mai complex. Lumina reflectată de subiect trece prin lentila industrială, unde este refractată și proiectată pe senzorul fotosensibil al camerei. Acest senzor este de obicei un dispozitiv cuplat de încărcare (CCD) sau un senzor semiconductor de-oxid-metal complementar (CMOS).
1. Principiul de lucru
Achiziție de imagine:Lumina reflectată sau transmisă de subiect este colectată prin obiectiv și focalizată pe senzorul de imagine.
Conversie fotoelectrică:Senzorul de imagine (de obicei CCD sau CMOS) convertește semnalele luminoase în semnale electrice. Luând ca exemplu un senzor CMOS, fiecare pixel conține o fotodiodă care generează o sarcină proporțională cu intensitatea luminii atunci când este iluminată, care este apoi convertită într-un semnal de tensiune.
Procesarea semnalului:Semnalele electrice amplificate trec printr-un convertor analog-în-digital (ADC) pentru a converti semnalele analogice în semnale digitale. Aceste semnale digitale sunt procesate pentru a forma date de imagine digitale, transmise computerelor sau altor dispozitive pentru analiza ulterioară.
2. Caracteristici cheie ale camerelor industriale
Fiabilitate ridicată:Camerele industriale sunt proiectate pentru o funcționare continuă prelungită, asigurând performanțe stabile în medii dure, cum ar fi temperaturi ridicate, umiditate ridicată și vibrații.
Performanță ridicată:Oferă rezoluție înaltă, rate de cadre ridicate, gamă dinamică largă și sensibilitate ridicată pentru a satisface cerințele de inspecție de precizie și de captură de-înaltă viteză.
Design modular:Utilizează de obicei o arhitectură modulară pentru o integrare perfectă în diverse echipamente și sisteme industriale.
Interfețe versatile:Acceptă mai multe tipuri de interfețe (de exemplu, GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) pentru a se potrivi diferitelor cerințe de lățime de bandă și distanță.
Configurație flexibilă:Acceptă mai multe moduri de declanșare, controlul expunerii și funcții de procesare a imaginii pentru a se adapta la diverse scenarii de aplicație.
3. Metode de clasificare
După tipul senzorului de imagine:
Camere CCD:Oferă calitate ridicată a imaginii și zgomot redus, excelând în condiții de-lumină scăzută, dar oferă costuri și consum de energie mai mari. Camerele CMOS sunt eficiente din punctul de vedere al costurilor,-puterii reduse și oferă citire rapidă a datelor, deși calitatea imaginii este ușor inferioară.
După culoarea de ieșire:Clasificate ca camere color și camere monocrome (alb-negru și-). Camerele color captează informații bogate de culoare ale obiectelor, potrivite pentru aplicații care necesită acuratețe a culorii, cum ar fi inspecția aspectului alimentelor și verificarea culorii materialului imprimat; Camerele monocrome prezintă o sensibilitate mai mare la lumină și excelează la detectarea variațiilor în tonuri de gri și a detaliilor texturii din obiecte. Ele sunt utilizate în mod obișnuit în scenarii care necesită o precizie ridicată, cum ar fi măsurarea dimensională și detectarea defectelor.
Prin metoda de scanare:
Camerele de scanare a zonei captează un cadru complet al unei imagini dintr-o dată, potrivite pentru detectarea obiectelor statice sau a celor care se mișcă cu viteză mică. Camerele cu scanare în linie-captură câte o linie a unei imagini, construind imaginea completă prin mișcare relativă între obiect și cameră. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit pentru detectarea obiectelor în mișcare cu viteză mare-și măsurători unidimensionale de-precizie înaltă{-, cum ar fi inspecția-în linie a materialelor imprimate și inspecția suprafeței foilor metalice.
După tipul semnalului de ieșire:camere analogice și camere digitale.
După intervalul de frecvență de răspuns:camere cu lumină vizibilă (standard), camere cu infraroșu, camere cu ultraviolete etc.
4. Calcule ale parametrilor cheie
(1) Rezoluție
Definiţie:Numărul de pixeli capturați pe cadru de imagine, determinat de rezoluția senzorului de imagine al camerei. Aceasta reprezintă cantitatea de pixeli aranjați pe planul țintă al senzorului.
Impact:În timpul capturii imaginii, rezoluția camerei afectează semnificativ calitatea imaginii. Când imaginăm același câmp vizual (gama scenei), rezoluția mai mare produce o reprezentare mai pronunțată a detaliilor.
Reprezentare:Pentru camerele de scanare a zonei-, rezoluția este de obicei exprimată ca două numere: rezoluție orizontală (H) și verticală (V), de exemplu, 1920(H) x 1080(V). Primul număr indică numărul de pixeli pe rând, în timp ce al doilea număr indică numărul de rânduri de pixeli. Pentru camerele cu scanare în linie-, rezoluția este de obicei indicată în mii (K), cum ar fi 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) etc.
Total pixeli=pixeli orizontali × pixeli verticali
Exemplu:1920×1080=2,073.600 pixeli (aproximativ 2 milioane pixeli)
(2) Adâncimea pixelilor
Definiţie:Numărul de biți pe pixel, de obicei exprimat în biți.
Impact:Adâncimea pixelilor determină bogăția tonurilor de gri a unei imagini. Mai mulți biți îmbunătățesc capacitatea de a exprima detaliile imaginii, rezultând valori mai bogate și mai fine în tonuri de gri. Cu toate acestea, acest lucru crește și volumul de date, afectând potențial viteza de procesare a imaginii a sistemului.
Valori comune:8 biți este cel mai frecvent utilizat. Camerele digitale pot avea, de asemenea, configurații pe 10 biți, 12 biți sau 14 biți.
(3) Rata maximă de cadre/Rata de linie
Definiţie:Rata la care o cameră captează și transmite imagini.
Reprezentare:Frecvența cadrelor se aplică în mod obișnuit camerelor industriale cu scanare a zonei-, măsurată în fps (cadre pe secundă), de exemplu, 181 de cadre pe secundă indică faptul că camera poate captura până la 181 de cadre pe secundă. Rata de linie se aplică camerelor industriale cu scanare în linie-, măsurată în kHz, de exemplu, 80 kHz indică că camera poate captura până la 80.000 de linii de date de imagine pe secundă.
Impact:Ratele mai mari de cadre/frecvențele de linie permit camerelor să captureze mai multe imagini pe unitatea de timp, făcându-le potrivite pentru scenariile care necesită captarea rapidă a mișcării.
Metoda de calcul:Frecvența cadrelor=3 × Viteza țintă/Câmp vizual orizontal; Frecvența liniei=Viteza mișcării / Precizia reală=Viteza mișcării × Rezoluție / Câmp vizual.
Determinați rata de cadre necesară pe baza vitezei de mișcare a obiectului în scenariul aplicației. Presupunând viteza obiectului V (unitate: mm/s) și timpul de expunere al camerei T (unitate: s), unde deplasarea obiectului în timpul expunerii nu trebuie să depășească o dimensiune de pixel P (unitate: mm), rata de cadre F poate ficalculat ca:F=1/T, unde T mai mic sau egal cu P/V.
(4) Metoda de expunere și viteza obturatorului
Modul de expunere:Pentru camerele cu scanare linie-, expunerea cu scanare progresivă este tipică. Camerele cu scanare-zonală utilizează de obicei expunerea cadru, expunerea la câmp sau expunerea cu obturator rulant.
Viteza obturatorului:În mod obișnuit, se poate realiza până la 10 microsecunde, cu camere-de mare viteză capabile să aibă viteze și mai mari. Vitezele de expunere mai mari îmbunătățesc capacitatea camerei de a capta imagini, făcându-le potrivite pentru scenarii cu condiții de lumină care se schimbă rapid sau subiecți în mișcare.
(5) Dimensiune pixeli (Dimensiune pixeli)
Definiţie:Un pixel este cea mai mică unitate care compune o imagine digitală. Dimensiunea pixelilor și numărul de pixeli (rezoluția) determină împreună dimensiunea zonei țintă a camerei.
Valori comune:Dimensiunile pixelilor camerei industriale variază de obicei de la 3μm la 14μm.
Impact:Pixelii mai mari captează mai mulți fotoni, generând o încărcare mai mare în condiții identice de iluminare și expunere, ceea ce poate oferi o calitate mai bună a imaginii. Cu toate acestea, dimensiunile mai mici ale pixelilor cresc complexitatea producției.
Calcul:Depinde de rezoluție și dimensiunile senzorului camerei. De exemplu, având în vedere o dimensiune a senzorului de Sa × Sb (dimensiuni orizontale × verticale în mm) și o rezoluție a camerei de Na × Nb, dimensiunea pixelului P (presupunând pixeli pătrați) este: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Interval spectral
Definiţie:Se referă la caracteristicile de sensibilitate ale senzorului de pixeli la diferite lungimi de undă de lumină.
Interval comun:Răspunde de obicei între 350 nm și 1000 nm. Unele camere încorporează un filtru în fața senzorului pentru a bloca lumina infraroșie. Dacă pentru sistem este necesară sensibilitatea la infraroșu, acest filtru poate fi îndepărtat.
(7) Tip interfață
Tipuri comune:Camera Link, Ethernet, 1394, ieșire USB etc. Cea mai recentă interfață este CoaXPress.
Impact:Tipul de interfață determină modul în care datele sunt transferate între cameră și sistemele de procesare a imaginilor sau alte dispozitive. Selectarea interfeței adecvate asigură o transmisie stabilă și rapidă a datelor.
(8) Dimensiunea senzorului
Definiţie:Dimensiunile fizice ale senzorului camerei, de obicei exprimate în inci (de exemplu, 1/2,3") sau milimetri (de exemplu, 12,8 mm × 9,6 mm).
Metoda de calcul:
Dimensiunea senzorului este de obicei furnizată de producător, dar poate fi estimată din dimensiunile pixelilor și rezoluția:
Lățimea senzorului=Număr orizontal de pixeli × Dimensiune pixeli
Înălțimea senzorului=Vertical Pixel Count × Pixel Size
(9) Alți parametri
Interval dinamic:Descrie numărul de niveluri de gri pe care fiecare pixel le poate distinge. Gama dinamică largă permite captarea clară a detaliilor atât în zonele luminoase, cât și în cele întunecate ale unei scene.
Zgomot:Semnale nedorite capturate în timpul imaginii care nu au legătură cu ținta reală a imaginii. Conform standardului EMVA1288 al Asociației Europene de Viziune Mașină (EMVA), zgomotul camerei este clasificat în general în două tipuri: zgomot de fotografiere derivat din semnalul efectiv și zgomot inerent intrinsec camerei în sine, independent de semnal.
5. Domenii de aplicare și avantaje
Camerele industriale sunt utilizate pe scară largă în controlul calității pe liniile automate de producție, sistemele de viziune artificială, imagistica medicală, logistică și depozitare, supravegherea securității, monitorizarea traficului, precum și aplicații militare și aviatice. Avantajele lor includ:
Performanță ridicată și stabilitate:Camerele industriale oferă stabilitate ridicată a imaginii, capacități de transmisie robuste și rezistență puternică la interferențe, permițând o funcționare stabilă prelungită în condiții dure.
Precizie ridicată și capacități de măsurare:Prin captarea imaginii de înaltă{0}}rezoluție și prin algoritmi precisi de analiză a imaginii, camerele industriale realizează măsurarea și poziționarea de înaltă-precizie.
Capacități de-captură de mare viteză:Camerele industriale cu -cadre-înalte captează rapid imagini dinamice, făcându-le potrivite pentru fotografierea și monitorizarea obiectelor cu-mișcare rapidă.
Adaptabilitate largă:Diverse tipuri de camere industriale răspund unor scenarii și cerințe de aplicații variate, îndeplinind sarcini complexe de imagistică și analiză.
6. Mărci renumite
Printre mărcile de camere industriale de top la nivel mondial se numără Cognex, Keyence, Teledyne DALSA din Canada, FLIR, Lumennera, AVALDATA din Japonia, VIEWORKS din Coreea de Sud, Daheng Imaging și Hikvision. Aceste mărci sunt foarte apreciate pentru performanța lor excepțională și pentru domeniile largi de aplicații.
Pe scurt, camerele industriale servesc ca componente critice în sistemele de viziune artificială, jucând un rol vital în automatizarea industrială și fabricarea inteligentă. Selectând camere industriale adecvate și integrând algoritmi avansați de analiză a imaginii, se poate obține o producție automată și un control al calității mai eficient, precis și fiabil.