Combien de ces 31 questions connaissez-vous sur les caméras industrielles ?

Certains ingénieurs en vision industrielle pensent souvent que les caméras industrielles avec des interfaces USB provoquent une perte d'images. De manière générale, la perte d'images des caméras industrielles n'a rien à voir avec l'interface de transmission utilisée par la caméra industrielle, qu'il s'agisse d'USB, 1394, GigE ou CameraLink. Des pilotes mal conçus ou du matériel de caméra industrielle sont la véritable cause de la perte d'images : La raison pour laquelle les caméras industrielles mal conçues subissent des pertes d'images est en réalité due au blocage du canal de données qui ne peut pas être traité en temps voulu. Par conséquent, lorsqu'une nouvelle image arrive, la précédente peut être forcée d'être rejetée, ou la nouvelle image peut être forcée d'être rejetée. Pour résoudre ce problème, les concepteurs doivent effectuer une conception précise pour chaque lien de transmission de données entre le pilote et le matériel de la caméra industrielle.

Dans la technologie d'inspection par vision industrielle, les interfaces d'entrée et de sortie des caméras industrielles comprennent Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet et USB3.0 ;

La première étape consiste à choisir le bon objectif. Le choix de l'objectif doit suivre les principes suivants :

1. Quelle est la taille de la puce de la caméra correspondante ?
2. Quel type d'interface possède la caméra ? Interface C, interface CS ou autres interfaces ;
3. La distance de travail de l'objectif ;
4. Le champ de vision de l'objectif ;
5. Les caractéristiques spectrales de l'objectif ;
6. Le taux de distorsion de l'objectif ;
7. Les dimensions de la structure mécanique de l'objectif ;

Lors du choix d'une caméra CCD, vous devez tenir compte des aspects suivants :

1. Type de puce photosensible ; CCD ou CMOS
2. Caractéristiques vidéo ; y compris la fréquence de clics et la fréquence de ligne.
3. Interface de sortie du signal ;
4. Modes de fonctionnement de la caméra : continu, déclenchement, contrôle, réinitialisation asynchrone, intégration longue durée.
5. Méthodes de réglage et de contrôle des paramètres vidéo : Manuel, RS232.

Dans le même temps, lors du choix d'un CCD, vous devez faire attention à 1 pouce = 16 mm au lieu de 25,4 mm.

1. Processus d'imagerie

Le principe de conversion photoélectrique des capteurs d'image CCD et CMOS est le même. La principale différence entre eux réside dans le processus de lecture du signal. Comme le CCD n'a qu'un seul (ou quelques) nœud(s) de sortie pour une lecture unifiée, la cohérence de sa sortie de signal est très bonne. Dans la puce CMOS, chaque pixel possède son propre amplificateur de signal, qui effectue la conversion charge-tension, et la cohérence de sa sortie de signal est médiocre. Cependant, pour lire l'intégralité du signal d'image, le CCD nécessite une bande passante de signal plus large pour l'amplificateur de sortie. Dans une puce CMOS, la bande passante requise de l'amplificateur de chaque pixel est plus faible, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie de la puce. C'est la principale raison pour laquelle la consommation d'énergie des puces CMOS est inférieure à celle des CCD. Bien que la consommation d'énergie soit réduite, l'incohérence de millions d'amplificateurs entraîne un bruit fixe plus élevé, ce qui est un inconvénient inhérent aux CMOS par rapport aux CCD.

2. Intégration

Du point de vue du processus de fabrication, les circuits et les dispositifs des CCD sont intégrés dans le matériau de cristal unique du fabricant de semi-conducteurs, et le processus est relativement complexe. Il n'y a que quelques fabricants dans le monde qui peuvent produire des plaquettes CCD, tels que DALSA, SONY, Panasonic, etc. Le CCD ne peut sortir que des signaux électriques analogiques, ce qui nécessite un décodeur d'adresse, un convertisseur analogique et un processeur de signal d'image ultérieurs. Il nécessite également de fournir trois ensembles de circuits de contrôle d'horloge de synchronisation d'alimentation avec différentes tensions, et le niveau d'intégration est très faible. Le CMOS est intégré sur un seul matériau appelé oxyde métallique. Ce processus est le même que le processus utilisé pour produire des dizaines de milliers de circuits intégrés semi-conducteurs tels que les puces informatiques et les dispositifs de stockage. Par conséquent, le coût du CMOS de champ sonore est beaucoup plus faible que celui du CCD. Dans le même temps, la puce CMOS peut intégrer l'amplificateur de signal d'image, le circuit de lecture du signal, le circuit de conversion A/N, le processeur de signal d'image et le contrôleur dans une seule puce. Une seule puce peut réaliser toutes les fonctions de base de la caméra. Le niveau d'intégration est très élevé. C'est de là que vient le concept de caméras au niveau de la puce. Avec le développement continu de la technologie d'imagerie CMOS, de plus en plus d'entreprises peuvent fournir des puces d'imagerie CMOS de haute qualité, notamment : Micron, CMOSIS, Cypress, etc.

3. Vitesse

Le CCD utilise une sortie photosensible un par un, et ne peut sortir que selon le programme prescrit, et la vitesse est lente. Le CMOS dispose de plusieurs convertisseurs charge-tension et d'un contrôle de commutateur ligne-colonne, et la vitesse de lecture est beaucoup plus rapide. Actuellement, la plupart des caméras haute vitesse au-dessus de 500 ips sont des caméras CMOS. De plus, le commutateur de signal d'adresse CMOS peut être échantillonné aléatoirement pour réaliser une sortie de sous-fenêtre, et une vitesse plus élevée peut être atteinte lorsque seules des images de sous-fenêtre sont sorties.

4. Bruit

La technologie CCD s'est développée plus tôt et est relativement mature. Elle utilise une jonction PN ou une couche d'isolation en dioxyde de silicium (SiO2) pour isoler le bruit. La qualité d'image présente certains avantages par rapport aux capteurs photoélectriques CMOS. En raison du niveau d'intégration élevé des capteurs d'image CMOS, la distance entre les composants et les circuits est très faible, l'interférence est sérieuse et le bruit a un grand impact sur la qualité de l'image.

Ces dernières années, avec le développement continu de la technologie de réduction du bruit des circuits CMOS, de bonnes conditions ont été réunies pour la production de capteurs d'image CMOS haute densité et de haute qualité.

• Résolution
• Vitesse (fréquence d'images/fréquence de ligne)
• Bruit
• Rapport signal sur bruit
• Plage dynamique
• Profondeur de pixel
• Réponse spectrale
• Interface optique

La résolution est le paramètre le plus basique de la caméra. Elle est déterminée par la résolution de la puce utilisée dans la caméra. C'est le nombre de pixels disposés sur la surface cible de la puce. Généralement, la résolution d'une caméra à balayage surfacique est exprimée par deux nombres : résolution horizontale et verticale, par exemple : 1920 (H) x 1080 (V). Le premier nombre indique le nombre de pixels dans chaque ligne, c'est-à-dire qu'il y a 1920 pixels au total, et le nombre suivant indique le nombre de lignes de pixels, c'est-à-dire 1080 lignes. De nos jours, la résolution d'une caméra indique généralement combien de K, par exemple 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096), etc. Lors de l'acquisition d'images, la résolution de la caméra a un grand impact sur la qualité de l'image. Lors de l'imagerie du même grand champ de vision (plage de paysage), plus la résolution est élevée, plus les détails seront affichés.

La fréquence d'images/fréquence de ligne d'une caméra indique la fréquence à laquelle la caméra collecte des images. Généralement, les caméras à réseau surfacique sont exprimées en fréquence d'images, et l'unité est ips (images par seconde). Par exemple, 30 ips signifie que la caméra peut collecter jusqu'à 30 images par seconde. Les caméras à balayage linéaire utilisent généralement une fréquence de ligne en KHz. Par exemple, 12 KHz signifie que la caméra peut collecter jusqu'à 12 000 lignes de données d'image par seconde. La vitesse est un paramètre important de la caméra. Dans les applications pratiques, il est souvent nécessaire d'imager des objets en mouvement. La vitesse de la caméra doit répondre à certaines exigences afin d'imager les objets de manière claire et précise. La fréquence d'images et la fréquence de ligne de la caméra sont d'abord affectées par la fréquence d'images et la fréquence de ligne de la puce. La vitesse de conception maximale de la puce est principalement déterminée par l'horloge la plus élevée que la puce peut supporter.

Le bruit des caméras industrielles fait référence aux signaux qui ne sont pas censés être collectés pendant le processus d'imagerie et qui sont en dehors de la cible d'imagerie réelle. Selon la norme européenne de test des caméras EMVA1288, le bruit dans la caméra peut être généralement divisé en deux catégories : l'une est le bruit de fluctuation statistique causé par le signal effectif qui est conforme à la distribution de Poisson, également appelé bruit de grenaille. Ce type de bruit est le même pour toutes les caméras, inévitable, et a une formule de calcul spécifique. (C'est-à-dire : le carré du bruit = la moyenne du signal). Le second type est le bruit indépendant du signal inhérent à la caméra elle-même. C'est le bruit causé par le circuit de lecture du capteur d'image, le circuit de traitement et d'amplification du signal de la caméra, etc. Le bruit inhérent de chaque caméra est différent. De plus, pour les caméras numériques, un bruit de quantification sera généré lors de la conversion analogique des signaux vidéo. Plus le nombre de bits de quantification est élevé, plus le bruit est faible.

Le rapport signal sur bruit d'une caméra est défini comme le rapport du signal au bruit dans l'image (le rapport de la valeur de gris moyenne du signal effectif à la racine carrée moyenne du bruit), ce qui représente la qualité de l'image. Plus le rapport signal sur bruit de l'image est élevé, meilleure est la qualité de l'image.

La plage dynamique de la caméra indique la plage dans laquelle la caméra détecte les signaux lumineux. La plage dynamique peut être définie de deux manières. L'une est la plage dynamique optique, qui fait référence au rapport de l'intensité lumineuse maximale à saturation à l'intensité lumineuse équivalente au bruit de sortie, qui est déterminée par les caractéristiques de la puce. L'autre est la plage dynamique électronique, qui fait référence au rapport entre la tension de saturation et la tension de bruit. Pour une caméra fixe, sa plage dynamique est une valeur fixe et ne change pas avec les variations des conditions externes. En termes de réponse linéaire, la plage dynamique de la caméra est définie comme le rapport de l'exposition de saturation à l'exposition équivalente au bruit : plage dynamique = capacité de puits complet de l'élément photosensible / signal de bruit équivalent. La plage dynamique peut être exprimée en multiples, dB ou bits. Avec une large plage dynamique, la caméra a une capacité plus forte à s'adapter à différentes intensités lumineuses.

Le signal numérique émis par une caméra numérique, c'est-à-dire la valeur de gris du pixel, a un nombre spécial de bits, appelé profondeur de pixel. Pour les caméras monochromes, la plage de valeurs est généralement de 8 à 16 bits. La profondeur de pixel définit le nombre de niveaux de gris, de l'obscurité à la luminosité. Par exemple, pour une caméra 8 bits, 0 représente l'obscurité totale et 255 représente la luminosité totale. Les nombres entre 0 et 5 représentent certains indicateurs de luminosité. Les données 10 bits ont 1024 niveaux de gris et les données 12 bits ont 4096 niveaux de gris. Pour chaque application, nous examinons attentivement si des niveaux de gris très fins sont requis. Passer de 8 bits à 10 bits ou 12 bits peut effectivement améliorer la précision de mesure, mais cela réduit également la vitesse du système et augmente la difficulté d'intégration du système (câbles supplémentaires et tailles plus importantes), nous devons donc choisir avec soin.

L'interface fait référence à l'interface entre la caméra et l'objectif. Les interfaces d'objectif couramment utilisées comprennent le C-mount, le CS-mount et le F-mount.

• Classification par structure de puce : caméra CCD & caméra CMOS
• Selon la structure du capteur : caméra à balayage surfacique & caméra à balayage linéaire
• Classification par mode de sortie : caméra analogique & caméra numérique
• Caméra couleur & caméra monochrome

• Le temps d'obturation des caméras industrielles est particulièrement court et peut capturer clairement les objets en mouvement rapide, tandis que les appareils photo ordinaires sont très flous lors de la capture d'objets en mouvement rapide ;
• Le capteur d'image d'une caméra industrielle est un balayage progressif, tandis que le capteur d'image d'un appareil photo ordinaire est entrelacé, voire balayé ligne par ligne ;
• La vitesse de prise de vue des caméras industrielles est beaucoup plus élevée que celle des appareils photo ordinaires ; les caméras industrielles peuvent prendre de dix à des centaines d'images par seconde, tandis que les appareils photo ordinaires ne peuvent prendre que 2 à 3 images ;
• Les caméras industrielles sortent des données brutes, et leur plage spectrale est souvent relativement large, ce qui convient mieux aux algorithmes de traitement d'images de haute qualité et est couramment utilisé dans les systèmes de vision industrielle. Quant aux images prises par les appareils photo ordinaires, leur plage spectrale ne convient qu'à la vision humaine, et elles ont été compressées par MPEG, de sorte que la qualité de l'image est également médiocre ;

1. Calculez la résolution : Divisez la largeur par la précision de détection minimale pour obtenir les pixels requis pour chaque ligne.
2. Précision de détection : La précision de détection réelle est obtenue en divisant la largeur par les pixels.
3. Nombre de lignes de balayage : Divisez la longueur de la vitesse de déplacement par seconde par la précision pour obtenir le nombre de lignes de balayage par seconde.

Exemples de sélection d'une caméra à balayage linéaire basés sur les résultats de calcul ci-dessus sont les suivants :

Par exemple, si la largeur est de 1600 mm, la précision est de 1 mm et la vitesse de déplacement est de 22000 mm/s, la caméra : 1600/1=1600 pixels est au moins 2000 pixels, et la caméra est sélectionnée comme 2k. 1600/2048=0,8. La précision réelle est de 22000 mm/0,8 mm=27,5 KHz. La caméra doit être sélectionnée comme une caméra de 2048 pixels et 28 kHz.

• Les capteurs à balayage linéaire utilisés par les caméras à balayage linéaire n'ont généralement qu'une seule rangée d'unités photosensibles (quelques capteurs à balayage linéaire couleur utilisent trois rangées d'unités photosensibles)
• La caméra à balayage linéaire ne collecte qu'une seule ligne d'images à la fois ;
• La caméra à balayage linéaire ne sort qu'une seule ligne d'images à la fois ;
• Comparé aux caméras à balayage surfacique traditionnelles, le balayage surfacique collecte plusieurs lignes d'images à chaque fois et les sort par images.

• Les caméras à balayage linéaire ont une résolution plus élevée ; chaque ligne de pixels d'une caméra à balayage linéaire est généralement de 1024, 2048, 4096, 8012 ; tandis qu'une caméra à balayage surfacique générale n'est que de 640, 768, 1280, et les réseaux surfaciques supérieurs à 2048 sont rares.
• La vitesse d'acquisition des caméras à balayage linéaire est plus rapide ; la vitesse d'acquisition des différents modèles de caméras à balayage linéaire varie de 5 000 lignes par seconde à 60 000 lignes par seconde. Les utilisateurs peuvent choisir quelques lignes ou toutes les douzaines de lignes pour former une image pour le traitement, de sorte qu'une fréquence d'images très élevée peut être atteinte.
• Les caméras à balayage linéaire peuvent collecter et traiter en continu sans interruption ; les caméras à balayage linéaire peuvent collecter en continu des objets en mouvement linéaire (rails linéaires, papier sur rouleaux, tissus, imprimés, objets sur tapis roulants, etc.).
• Les caméras à balayage linéaire ont une structure plus simple et plus raisonnable. Comparées aux caméras à balayage surfacique, les caméras à balayage linéaire ne gaspillent pas de résolution et ne collectent pas de données inutiles.

Une caméra industrielle intelligente n'est pas une simple caméra, mais un système de vision industrielle micro hautement intégré. Elle intègre les fonctions d'acquisition, de traitement et de communication d'images dans une seule caméra, offrant ainsi une solution de vision industrielle multifonctionnelle, modulaire, hautement fiable et facile à mettre en œuvre. Les caméras industrielles intelligentes sont généralement composées d'unités d'acquisition d'images, d'unités de traitement d'images, de logiciels de traitement d'images, de dispositifs de communication réseau, etc. En raison de l'application des dernières technologies DSP, FPGA et de stockage de grande capacité, son niveau d'intelligence ne cesse d'augmenter et peut répondre à une variété de besoins d'application de vision industrielle.

Les deux principaux types de puces de détection photoélectrique utilisées en vision industrielle sont les puces CCD et les puces CMOS. CCD est l'abréviation de ChargeCoupled Device et CMOS est Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T