Industrijske kamere so ključne komponente v sistemih strojnega vida. Njihova temeljna funkcija je pretvarjanje svetlobnih signalov v organizirane električne signale, s čimer omogočajo pridobivanje digitalnih slik. Široko se uporabljajo v industrijski proizvodnji, inšpekciji, meritvah in na drugih področjih. Njihov princip slikanja je podoben slikanju z luknjami, vendar je bolj zapleten. Svetloba, ki se odbije od motiva, gre skozi industrijsko lečo, kjer se lomi in projicira na fotoobčutljivo tipalo fotoaparata. Ta senzor je običajno nabojno sklopljena naprava (CCD) ali komplementarni kovinski-oksid-polprevodniški senzor (CMOS).
1. Načelo delovanja
Pridobitev slike:Svetloba, ki se odbije ali odda od subjekta, se zbere skozi lečo in usmeri na slikovni senzor.
Fotoelektrična pretvorba:Slikovni senzor (običajno CCD ali CMOS) pretvori svetlobne signale v električne signale. Če za primer vzamemo senzor CMOS, vsaka slikovna pika vsebuje fotodiodo, ki ob osvetlitvi ustvari naboj, sorazmeren z jakostjo svetlobe, ki se nato pretvori v napetostni signal.
Obdelava signala:Ojačani električni signali gredo skozi analogno--digitalni pretvornik (ADC) za pretvorbo analognih signalov v digitalne signale. Ti digitalni signali se obdelajo v digitalne slikovne podatke, ki se prenesejo v računalnike ali druge naprave za nadaljnjo analizo.
2. Ključne lastnosti industrijskih kamer
Visoka zanesljivost:Industrijske kamere so zasnovane za dolgotrajno neprekinjeno delovanje in zagotavljajo stabilno delovanje v težkih okoljih, kot so visoke temperature, visoka vlažnost in vibracije.
Visoka zmogljivost:Zagotavlja visoko ločljivost, visoke hitrosti sličic, širok dinamični razpon in visoko občutljivost za izpolnjevanje zahtev po natančnem pregledu in hitrem-zajemu.
Modularna zasnova:Običajno uporablja modularno arhitekturo za brezhibno integracijo v raznoliko industrijsko opremo in sisteme.
Vsestranski vmesniki:Podpira več vrst vmesnikov (npr. GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) za prilagajanje različnim zahtevam glede pasovne širine in razdalje.
Prilagodljiva konfiguracija:Podpira več načinov proženja, nadzor osvetlitve in funkcije obdelave slik za prilagajanje različnim scenarijem uporabe.
3. Metode razvrščanja
Po vrsti slikovnega senzorja:
CCD kamere:Zagotavljajo visoko kakovost slike in nizko raven hrupa, ki se odlikujejo v slabo-svetlobnih pogojih, vendar imajo višje stroške in porabo energije. Kamere CMOS so stroškovno-učinkovite, imajo nizko-porabo energije in omogočajo hitro branje podatkov, čeprav je kakovost slike nekoliko slabša.
Po izhodni barvi:Razvrščeni med barvne kamere in enobarvne (č-in-bele) kamere. Barvne kamere zajamejo bogate barvne informacije o predmetih, primerne za aplikacije, ki zahtevajo barvno natančnost, kot je pregledovanje videza hrane in preverjanje barv tiskanih materialov; Enobarvne kamere izkazujejo večjo občutljivost na svetlobo in so odlične pri zaznavanju sivinskih variacij in podrobnosti teksture predmetov. Običajno se uporabljajo v scenarijih, ki zahtevajo visoko natančnost, kot so merjenje dimenzij in odkrivanje napak.
Po metodi skeniranja:
Kamere za območno skeniranje zajamejo celoten okvir slike naenkrat, kar je primerno za zaznavanje statičnih predmetov ali tistih, ki se premikajo z nizko hitrostjo. Kamere za črtno-skeniranje zajamejo eno vrstico slike naenkrat in sestavijo celotno sliko z relativnim gibanjem med objektom in kamero. Običajno se uporabljajo za odkrivanje visoko{3}}hitro premikajočih se predmetov in visoko{4}}natančne eno-dimenzionalne meritve, kot je-linijski pregled tiskanih materialov in površinski pregled kovinskih listov.
Po vrsti izhodnega signala:analogne kamere in digitalne kamere.
Po frekvenčnem območju odziva:kamere za vidno svetlobo (standardne), infrardeče kamere, ultravijolične kamere itd.
4. Izračuni ključnih parametrov
(1) Resolucija
definicija:Število slikovnih pik, zajetih na okvir slike, določeno z ločljivostjo slikovnega tipala fotoaparata. To predstavlja količino slikovnih pik, razporejenih na ciljni ravnini senzorja.
Vpliv:Med zajemanjem slike ločljivost kamere pomembno vpliva na kakovost slike. Pri slikanju istega vidnega polja (razpon prizora) višja ločljivost zagotavlja bolj izrazito predstavitev podrobnosti.
Zastopanje:Za kamere za-skeniranje območij je ločljivost običajno izražena kot dve številki: vodoravna (H) in navpična (V) ločljivost, npr. 1920(V) x 1080(V). Prva številka označuje število slikovnih pik na vrstico, druga številka pa število vrstic slikovnih pik. Za kamere z-linijskim skeniranjem je ločljivost običajno označena v tisočih (K), kot je 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) itd.
Skupno število slikovnih pik=vodoravnih slikovnih pik × navpičnih slikovnih pik
primer:1920×1080=2,073.600 slikovnih pik (približno 2 milijona slikovnih pik)
(2) Globina pikslov
definicija:Število bitov na slikovno piko, običajno izraženo v bitih.
Vpliv:Globina slikovnih pik določa bogastvo sivine slike. Več bitov poveča možnost izražanja podrobnosti slike, kar ima za posledico bogatejše in natančnejše vrednosti sivin. Vendar pa to tudi poveča količino podatkov, kar lahko vpliva na hitrost sistemske obdelave slik.
Skupne vrednosti:Najpogosteje se uporablja 8-bitni. Digitalni fotoaparati imajo lahko tudi 10-bitne, 12-bitne ali 14-bitne konfiguracije.
(3) Največja hitrost sličic/vrstična hitrost
definicija:Hitrost, s katero kamera zajema in prenaša slike.
Zastopanje:Hitrost sličic običajno velja za industrijske kamere s-skeniranjem območja, merjena v sličicah na sekundo (sličicah na sekundo), npr. 181 sličic na sekundo pomeni, da lahko kamera zajame do 181 sličic na sekundo. Hitrost vrstic velja za industrijske kamere za linijsko{6}}skeniranje, merjena v kHz, npr. 80kHz pomeni, da lahko kamera zajame do 80.000 vrstic slikovnih podatkov na sekundo.
Vpliv:Višje hitrosti sličic/frekvence vrstic omogočajo kameram, da zajamejo več slik na časovno enoto, zaradi česar so primerne za scenarije, ki zahtevajo hitro zajemanje gibanja.
Metoda izračuna:Hitrost sličic=3 × ciljna hitrost/vodoravno vidno polje; Frekvenca linije=Hitrost gibanja / Dejanska natančnost=Hitrost gibanja × Ločljivost / Vidno polje.
Določite zahtevano hitrost sličic na podlagi hitrosti gibanja predmeta v scenariju aplikacije. Ob predpostavki hitrosti predmeta V (enota: mm/s) in časa osvetlitve kamere T (enota: s), pri čemer premik predmeta med osvetlitvijo ne sme preseči velikosti ene slikovne pike P (enota: mm), je lahko hitrost sličic Fizračunano kot:F=1/T, kjer je T manj kot ali enako P/V.
(4) Metoda osvetlitve in hitrost zaklopa
Način osvetlitve:Za kamere z-linijskim skeniranjem je značilna osvetlitev s postopnim skeniranjem. Kamere za-območno skeniranje običajno uporabljajo osvetlitev okvirja, osvetlitev polja ali osvetlitev zaklopa.
Hitrost zaklopa:Običajno dosegljivo do 10 mikrosekund, z visoko{1}}hitrostnimi kamerami, ki so zmožne še večjih hitrosti. Višje hitrosti zaklopa povečajo sposobnost fotoaparata za zajemanje slik, zaradi česar so primerni za scenarije s hitro spreminjajočimi se svetlobnimi pogoji ali premikajočimi se predmeti.
(5) Velikost pikslov (velikost slikovnih pik)
definicija:Piksel je najmanjša enota, ki sestavlja digitalno sliko. Velikost slikovnih pik in število slikovnih pik (ločljivost) skupaj določata velikost ciljnega območja kamere.
Skupne vrednosti:Velikosti slikovnih pik industrijskih kamer se običajno gibljejo od 3 μm do 14 μm.
Vpliv:Večje slikovne pike zajamejo več fotonov in ustvarijo večji naboj pri enakih svetlobnih in osvetlitvenih pogojih, kar lahko prinese višjo kakovost slike. Vendar pa manjše velikosti slikovnih pik povečajo kompleksnost izdelave.
Izračun:Odvisno od ločljivosti in dimenzij senzorja kamere. Na primer, glede na velikost senzorja Sa × Sb (vodoravne × navpične mere v mm) in ločljivost kamere Na × Nb je velikost slikovnih pik P (ob predpostavki kvadratnih slikovnih pik): P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Spektralno območje
definicija:Nanaša se na značilnosti občutljivosti senzorja slikovnih pik na različne valovne dolžine svetlobe.
Skupni obseg:Običajno se odziva med 350 nm in 1000 nm. Nekatere kamere imajo filter pred senzorjem, ki blokira infrardečo svetlobo. Če je za sistem potrebna infrardeča občutljivost, lahko ta filter odstranite.
(7) Vrsta vmesnika
Pogosti tipi:Camera Link, Ethernet, 1394, USB izhod itd. Najnovejši vmesnik je CoaXPress.
Vpliv:Vrsta vmesnika določa, kako se podatki prenašajo med kamero in sistemi za obdelavo slik ali drugimi napravami. Izbira ustreznega vmesnika zagotavlja stabilen in hiter prenos podatkov.
(8) Velikost senzorja
definicija:Fizične mere senzorja kamere, običajno izražene v palcih (npr. 1/2,3") ali milimetrih (npr. 12,8 mm × 9,6 mm).
Metoda izračuna:
Velikost senzorja običajno zagotovi proizvajalec, vendar jo je mogoče oceniti na podlagi dimenzij slikovnih pik in ločljivosti:
Širina senzorja=vodoravno število slikovnih pik × velikost slikovnih pik
Višina senzorja=navpično število slikovnih pik × velikost slikovnih pik
(9) Drugi parametri
Dinamični razpon:Opisuje število sivih stopenj, ki jih lahko loči vsaka slikovna pika. Širok dinamični razpon omogoča jasen zajem podrobnosti v svetlih in temnih delih scene.
Hrup:Neželeni signali, zajeti med slikanjem, ki niso povezani z dejanskim ciljem slikanja. V skladu s standardom EMVA1288 Evropskega združenja za strojni vid (EMVA) je šum kamere na splošno kategoriziran v dve vrsti: šum udarca, ki izhaja iz učinkovitega signala, in inherentni šum, ki je lasten sami kameri, neodvisen od signala.
5. Področja uporabe in prednosti
Industrijske kamere se pogosto uporabljajo pri nadzoru kakovosti na avtomatiziranih proizvodnih linijah, sistemih strojnega vida, medicinskem slikanju, logistiki in skladiščenju, varnostnem nadzoru, spremljanju prometa, pa tudi v vojaških in letalskih aplikacijah. Njihove prednosti vključujejo:
Visoka zmogljivost in stabilnost:Industrijske kamere ponujajo visoko stabilnost slike, robustne zmogljivosti prenosa in močno odpornost proti motnjam, kar omogoča dolgotrajno stabilno delovanje v težkih pogojih.
Visoka natančnost in merilne zmogljivosti:Z visoko{0}}zajemom slike in natančnimi algoritmi za analizo slike dosegajo industrijske kamere visoko{1}}natančne meritve in pozicioniranje.
Visoko{0}}zmogljivosti zajemanja:Industrijske kamere z visoko-hitrostjo-sličic hitro zajemajo dinamične slike, zaradi česar so primerne za fotografiranje in spremljanje hitro{2}}premikajočih se predmetov.
Široka prilagodljivost:Različne vrste industrijskih kamer ustrezajo različnim scenarijem uporabe in zahtevam ter izpolnjujejo zapletene naloge slikanja in analize.
6. Priznane blagovne znamke
Med vodilnimi svetovnimi blagovnimi znamkami industrijskih kamer so Cognex, Keyence, kanadski Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, japonska AVALDATA, južnokorejski VIEWORKS, Daheng Imaging in Hikvision. Te blagovne znamke so zelo cenjene zaradi svojih izjemnih zmogljivosti in širokih področij uporabe.
Če povzamemo, industrijske kamere služijo kot kritične komponente v sistemih strojnega vida in igrajo ključno vlogo pri industrijski avtomatizaciji in inteligentni proizvodnji. Z izbiro ustreznih industrijskih kamer in integracijo naprednih algoritmov za analizo slike je mogoče doseči učinkovitejšo, natančnejšo in zanesljivejšo avtomatizirano proizvodnjo in nadzor kakovosti.