Промышленные камеры являются основой машинного зрения

Промышленные камеры являются ключевым компонентом систем компьютерного зрения, и их основная функция заключается в преобразовании световых сигналов в упорядоченные электрические сигналы. Выбор подходящей камеры также является важным аспектом проектирования системы компьютерного зрения, так как выбор камеры не только непосредственно определяет разрешение и качество изображения, но и влияет на работу всей системы.

Промышленные камеры, также известные как камеры, имеют более высокую стабильность изображения, пропускную способность и способность к подавлению помех по сравнению с традиционными потребительскими камерами. Большинство промышленных камер на рынке основаны на чипах CCD (Charge Coupled Device) или CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Сейчас CCD является наиболее распространенным изображенческим датчиком в системах машинного зрения. Он объединяет фотоэлектрическую конверсию с накоплением заряда, передачей заряда и чтением сигнала, что делает его типичным твердотельным устройством изображения. Основная особенность CCD заключается в том, что он использует заряд в качестве сигнала, в отличие от других устройств, которые используют ток или напряжение в качестве сигнала. Этот тип устройств формирует пакет заряда через фотоэлектрическую конверсию, а затем передает и усиливает выходной сигнал изображения под действием управляющих импульсов. Типичная камера CCD состоит из оптической линзы, генератора временных и синхронизационных сигналов, вертикального драйвера и аналоговой/цифровой обработки сигнала. Как функциональное устройство, по сравнению с вакуумными лампами, CCD обладает преимуществами отсутствия выгорания, отсутствия гистерезиса, низкого напряжения работы и низкого энергопотребления.

Развитие CMOS изображенческих датчиков появилось в начале 1970-х годов. В начале 1990-х годов с развитием технологии производства Very Large Scale Integration (VLSI) CMOS изображенческие датчики быстро развивались. CMOS изображенческие датчики объединяют массивы фоточувствительных элементов, усилители сигнала изображения, схемы чтения сигнала, аналого-цифровые преобразователи, обработчики сигналов изображения и контроллеры на одном чипе и также обладают преимуществами программного случайного доступа к локальным пикселям. Изображенческие датчики CMOS широко используются в приложениях с высоким разрешением и скоростью из-за своей хорошей интеграции, низкого энергопотребления, высокоскоростной передачи и широкого динамического диапазона.

Существует много форм промышленных камер, и в этой статье мы предоставим подробное введение в несколько часто используемых типов промышленных камер.

Разница между камерами со сканированием области и камерами со сканированием линии заключается в том, что первые собирают информацию об изображении на двумерной плоскости, позволяя прямому получению полной двумерной информации об изображении, тогда как вторые собирают информацию об изображении на „линии“, которая является длинной узкой формой с только несколькими пикселями в ширину, так как у камер со сканированием линии есть только один ряд фоточувствительных элементов. Хотя у камер со сканированием области есть больше пикселей в общей сложности, они распределены между каждым рядом, поэтому их разрешение и сканирование частоты обычно ниже, чем у камер со сканированием линии.

Поскольку фоточувствительные элементы камер со сканированием линии расположены в форме „линии“, собранная информация об изображении также является линейной. Чтобы получить полную информацию об изображении, часто необходимо использовать движение сканирования, например, при съемке изображений материалов, которые движутся равномерно по прямой линии, таких как металлы или волокна. Линейные сенсоры изображения в основном основаны на технологии CCD, хотя на рынке появились некоторые линейные CMOS-сенсоры изображения, линейные CCD все еще являются основными. В настоящее время широко используется использование TDI-CCD в сочетании с движением сканирования для получения изображений, особенно в ситуациях, которые требуют большого поля зрения и высокого разрешения изображения. Камеры со сканированием области могут использоваться для измерения площади, формы, положения или качества поверхности, а прямое получение двумерных изображений может в некоторой степени уменьшить сложность алгоритмов обработки изображений. В практических инженерных приложениях должен быть выбран соответствующий тип кам.

Черно-белые камеры и цветные камеры легко понять. Если выходное изображение черно-белое, то это черно-белая камера, а если цветное, то это цветная камера. Давайте сначала рассмотрим простую черно-белую камеру. Когда свет падает на фоточип, фотонный сигнал преобразуется в электронный сигнал. Поскольку количество фотонов пропорционально количеству электронов, основная задача состоит в подсчете количества электронов для формирования черно-белого изображения, отражающего яркость света. После обработки внутренним микропроцессором камеры выходом является цифровое изображение. В черно-белой камере цветовая информация в свете не сохраняется.

Как выбрать промышленную камеру

Промышленная камера обычно устанавливается на конвейере вместо глаз человека, чтобы выполнить измерения и оценку. Она получает цифровой сигнал изображения из объекта, передает его в специальную систему обработки изображений, где происходят различные вычисления, чтобы извлечь характеристики объекта и, в соответствии с результатом, управлять оборудованием на месте.

Обычно первым шагом является определение требуемой точности системы и разрешения камеры. Для этого можно использовать формулу:

Точность системы в направлении X (в пикселях) = область видимости в направлении X / количество пикселей в CCD-матрице в направлении X.

Точность системы в направлении Y (в пикселях) = область видимости в направлении Y / количество пикселей в CCD-матрице в направлении Y.

Конечно, расчет теоретического значения пикселя должен основываться на сочетании точности системы и методов субпиксельной обработки. Затем следует определить требования к скорости системы и скорости формирования изображения камеры:

Скорость работы системы = скорость формирования изображения и передачи его (включая передачу данных) + скорость обработки изображения.

Хотя скорость формирования изображения и передачи его можно рассчитать теоретически, учитывая функции асинхронного триггера и скорость затвора камеры, лучший способ – провести практические тесты с помощью специального программного обеспечения.

1. Затем следует рассмотреть соответствие камеры и карты захвата изображения, поскольку это связано с их совместимостью:

Соответствие видеосигнала: для черно-белых аналоговых камер существуют два формата: CCIR и RS170 (EIA), и обычно карты захвата поддерживают оба формата камер.

Соответствие разрешению: каждая плата поддерживает только определенный диапазон разрешений камер;

Соответствие специальным функциям: если вы хотите использовать специальные функции камеры, сначала убедитесь, что используемая плата поддерживает эту функцию.

Сопоставление интерфейсов: определение соответствия интерфейсов камеры и платы, таких как CameraLink, GIGE, CoaXPress, USB3.0 и т.д.

После удовлетворения необходимых требований к детекции, последним шагом должно быть сравнение цен.

мм х 10 мм, с требуемой точностью 0,01 мм. Это происходит на конвейерной линии со скоростью 10 изделий в секунду. Рабочая среда – обычная промышленная среда, без учета помех.

Во-первых, учитывая высокую скорость конвейерной линии, мы выберем камеру с построчным сканированием. Мы можем установить размер поля зрения в 20 мм х 12 мм (учитывая погрешность механического позиционирования объекта, мы немного увеличиваем поле зрения). Если мы можем получить хорошее изображение (например, с подсветкой), и точность измерения программного обеспечения может учитывать точность полу-пикселей, то необходимое разрешение камеры составит 1000 пикселей по одному направлению и 600 пикселей по другому направлению. Это означает, что разрешение камеры должно быть не менее 1000 × 600 пикселей, а частота кадров должна быть не менее 10 кадров в секунду. Мы можем выбрать камеру с разрешением 1024 × 768 пикселей (или 1280 × 1024 пикселей, если учитывать несовершенство программного обеспечения и механической точности), с частотой кадров более 10 кадров в секунду.