2026-08-09
Ορισμένοι μηχανικοί μηχανικής όρασης πιστεύουν συχνά ότι οι βιομηχανικές κάμερες με διεπαφές USB προκαλούν απώλεια καρέ. Γενικά, η απώλεια καρέ στις βιομηχανικές κάμερες δεν έχει σχέση με τη διεπαφή μετάδοσης που χρησιμοποιείται από τη βιομηχανική κάμερα, είτε πρόκειται για USB, 1394, GigE ή CameraLink. Οι κακοσχεδιασμένοι οδηγοί ή το υλικό της βιομηχανικής κάμερας είναι η πραγματική αιτία της απώλειας καρέ: Ο λόγος για τον οποίο οι κακοσχεδιασμένες βιομηχανικές κάμερες παρουσιάζουν απώλεια καρέ οφείλεται στην πραγματικότητα στο ότι το κανάλι δεδομένων είναι μπλοκαρισμένο και δεν μπορεί να επεξεργαστεί έγκαιρα. Επομένως, όταν έρχεται μια νέα εικόνα, η προηγούμενη μπορεί να αναγκαστεί να απορριφθεί ή η νέα εικόνα μπορεί να αναγκαστεί να απορριφθεί. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, οι σχεδιαστές πρέπει να πραγματοποιήσουν ακριβή σχεδιασμό για κάθε σύνδεσμο μετάδοσης δεδομένων μεταξύ του οδηγού και του υλικού της βιομηχανικής κάμερας.
Στην τεχνολογία επιθεώρησης μηχανικής όρασης, οι διεπαφές εισόδου και εξόδου των βιομηχανικών καμερών περιλαμβάνουν Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet και USB3.0;
Το πρώτο βήμα είναι η επιλογή του σωστού φακού. Η επιλογή του φακού πρέπει να ακολουθεί τις ακόλουθες αρχές:
Κατά την επιλογή μιας κάμερας CCD, θα πρέπει να λάβετε υπόψη τις ακόλουθες πτυχές:
Ταυτόχρονα, κατά την επιλογή ενός CCD, θα πρέπει να προσέξετε ότι 1 ίντσα = 16mm αντί για 25,4mm.
1. Διαδικασία απεικόνισης
Η αρχή της φωτοηλεκτρικής μετατροπής των αισθητήρων εικόνας CCD και CMOS είναι η ίδια. Η κύρια διαφορά μεταξύ τους είναι η διαφορετική διαδικασία ανάγνωσης σήματος. Δεδομένου ότι ο CCD έχει μόνο έναν (ή λίγους) κόμβους εξόδου για ενοποιημένη ανάγνωση, η συνέπεια της εξόδου σήματος είναι πολύ καλή. Στο τσιπ CMOS, κάθε pixel έχει τον δικό του ενισχυτή σήματος, ο οποίος πραγματοποιεί μετατροπή φορτίου σε τάση, και η συνέπεια της εξόδου σήματος είναι κακή. Ωστόσο, για να διαβαστεί ολόκληρο το σήμα εικόνας, ο CCD απαιτεί ευρύτερο εύρος ζώνης σήματος του ενισχυτή εξόδου. Σε ένα τσιπ CMOS, η απαίτηση εύρους ζώνης του ενισχυτή σε κάθε pixel είναι χαμηλότερη, γεγονός που μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας του τσιπ. Αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο η κατανάλωση ενέργειας των τσιπ CMOS είναι χαμηλότερη από αυτή των CCD. Παρόλο που η κατανάλωση ενέργειας μειώνεται, η ασυνέπεια εκατομμυρίων ενισχυτών οδηγεί σε υψηλότερο σταθερό θόρυβο, ο οποίος είναι ένα εγγενές μειονέκτημα του CMOS σε σχέση με τον CCD.
2. Ολοκλήρωση
Από την άποψη της διαδικασίας κατασκευής, τα κυκλώματα και οι συσκευές σε CCD ενσωματώνονται στο υλικό μονοκρυσταλλικού ημιαγωγού, και η διαδικασία είναι σχετικά περίπλοκη. Υπάρχουν μόνο λίγοι κατασκευαστές στον κόσμο που μπορούν να παράγουν πλακέτες CCD, όπως η DALSA, η SONY, η Panasonic κ.λπ. Ο CCD μπορεί να εξάγει μόνο αναλογικά ηλεκτρικά σήματα, τα οποία απαιτούν μεταγενέστερο αποκωδικοποιητή διευθύνσεων, αναλογικό μετατροπέα και επεξεργαστή σήματος εικόνας. Χρειάζεται επίσης να παρέχει τρία σετ κυκλωμάτων ελέγχου συγχρονισμού τροφοδοσίας με διαφορετικές τάσεις, και το επίπεδο ολοκλήρωσης είναι πολύ χαμηλό. Το CMOS ενσωματώνεται σε ένα υλικό που ονομάζεται οξείδιο του μετάλλου. Αυτή η διαδικασία είναι η ίδια με τη διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή δεκάδων χιλιάδων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ημιαγωγών, όπως τσιπ υπολογιστών και συσκευές αποθήκευσης. Επομένως, το κόστος του CMOS ήχου πεδίου είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό του CCD. Ταυτόχρονα, το τσιπ CMOS μπορεί να ενσωματώσει τον ενισχυτή σήματος εικόνας, το κύκλωμα ανάγνωσης σήματος, το κύκλωμα μετατροπής Α/Δ, τον επεξεργαστή σήματος εικόνας και τον ελεγκτή σε ένα τσιπ. Μόνο ένα τσιπ μπορεί να υλοποιήσει όλες τις βασικές λειτουργίες της κάμερας. Το επίπεδο ολοκλήρωσης είναι πολύ υψηλό. Εδώ προέρχεται η έννοια των καμερών επιπέδου τσιπ. Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας απεικόνισης CMOS, όλο και περισσότερες εταιρείες μπορούν να παρέχουν υψηλής ποιότητας τσιπ απεικόνισης CMOS, συμπεριλαμβανομένων: Micron, CMOSIS, Cypress, κ.λπ.
3. Ταχύτητα
Ο CCD χρησιμοποιεί φωτοευαίσθητη έξοδο μία προς μία, και μπορεί να εξάγει μόνο σύμφωνα με το καθορισμένο πρόγραμμα, και η ταχύτητα είναι αργή. Το CMOS έχει πολλαπλούς μετατροπείς φορτίου-τάσης και έλεγχο διακόπτη γραμμής-στήλης, και η ταχύτητα ανάγνωσης είναι πολύ ταχύτερη. Επί του παρόντος, οι περισσότερες κάμερες υψηλής ταχύτητας άνω των 500fps είναι κάμερες CMOS. Επιπλέον, ο διακόπτης χρονοδιακόπτη διευθύνσεων CMOS μπορεί να δειγματιστεί τυχαία για να πραγματοποιήσει έξοδο υπο-παραθύρου, και υψηλότερη ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί όταν εξάγονται μόνο εικόνες υπο-παραθύρου.
4. Θόρυβος
Η τεχνολογία CCD αναπτύχθηκε νωρίτερα και είναι σχετικά ώριμη. Χρησιμοποιεί επαφή PN ή στρώμα απομόνωσης διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) για την απομόνωση του θορύβου. Η ποιότητα απεικόνισης έχει ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι των φωτοηλεκτρικών αισθητήρων CMOS. Λόγω του υψηλού επιπέδου ολοκλήρωσης των αισθητήρων εικόνας CMOS, η απόσταση μεταξύ των εξαρτημάτων και των κυκλωμάτων είναι πολύ κοντά, η παρεμβολή είναι σοβαρή και ο θόρυβος έχει μεγάλο αντίκτυπο στην ποιότητα της εικόνας.
Τα τελευταία χρόνια, με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας μείωσης θορύβου κυκλωμάτων CMOS, έχουν παρασχεθεί καλές συνθήκες για την παραγωγή αισθητήρων εικόνας CMOS υψηλής πυκνότητας και υψηλής ποιότητας.
Η ανάλυση είναι η πιο βασική παράμετρος της κάμερας. Καθορίζεται από την ανάλυση του τσιπ που χρησιμοποιείται στην κάμερα. Είναι ο αριθμός των pixel που είναι διατεταγμένα στην επιφάνεια στόχο του τσιπ. Συνήθως η ανάλυση μιας κάμερας σάρωσης περιοχής εκφράζεται με δύο αριθμούς: οριζόντια και κάθετη ανάλυση, όπως: 1920 (H) x 1080 (V). Ο πρώτος αριθμός υποδεικνύει τον αριθμό των pixel σε κάθε γραμμή, δηλαδή, υπάρχουν συνολικά 1920 pixel, και ο επόμενος αριθμός υποδεικνύει τον αριθμό των γραμμών pixel, δηλαδή, 1080 γραμμές. Σήμερα, η ανάλυση μιας κάμερας συνήθως υποδεικνύει πόσα K, όπως 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096), κ.λπ. Κατά την απόκτηση εικόνων, η ανάλυση της κάμερας έχει μεγάλο αντίκτυπο στην ποιότητα της εικόνας. Κατά την απεικόνιση του ίδιου μεγάλου οπτικού πεδίου (εύρος σκηνής), όσο υψηλότερη είναι η ανάλυση, τόσο πιο εμφανείς θα είναι οι λεπτομέρειες.
Ο ρυθμός καρέ/συχνότητα γραμμής μιας κάμερας υποδεικνύει τη συχνότητα με την οποία η κάμερα συλλέγει εικόνες. Συνήθως, οι κάμερες περιοχής εκφράζονται σε ρυθμό καρέ, και η μονάδα είναι fps (Frame Per second). Για παράδειγμα, 30fps σημαίνει ότι η κάμερα μπορεί να συλλέξει έως και 30 καρέ εικόνων σε 1 δευτερόλεπτο. Οι κάμερες γραμμής χρησιμοποιούν συνήθως συχνότητα γραμμής σε μονάδες KHz. Για παράδειγμα, 12KHz σημαίνει ότι η κάμερα μπορεί να συλλέξει έως και 12.000 γραμμές δεδομένων εικόνας σε 1 δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα είναι μια σημαντική παράμετρος της κάμερας. Σε πρακτικές εφαρμογές, είναι συχνά απαραίτητο να απεικονίζονται κινούμενα αντικείμενα. Η ταχύτητα της κάμερας πρέπει να πληροί ορισμένες απαιτήσεις για να απεικονίζονται τα αντικείμενα καθαρά και με ακρίβεια. Ο ρυθμός καρέ και ο ρυθμός γραμμής της κάμερας επηρεάζονται πρώτα από τον ρυθμό καρέ και τον ρυθμό γραμμής του τσιπ. Η μέγιστη ταχύτητα σχεδιασμού του τσιπ καθορίζεται κυρίως από την υψηλότερη συχνότητα ρολογιού που μπορεί να αντέξει το τσιπ.
Ο θόρυβος των βιομηχανικών καμερών αναφέρεται σε σήματα που δεν αναμένονται να συλλεχθούν κατά τη διαδικασία απεικόνισης και βρίσκονται εκτός του πραγματικού στόχου απεικόνισης. Σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο δοκιμών καμερών EMVA1288, ο θόρυβος στην κάμερα μπορεί γενικά να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: η μία είναι ο θόρυβος στατιστικής διακύμανσης που προκαλείται από το αποτελεσματικό σήμα που συμμορφώνεται με την κατανομή Poisson, που ονομάζεται επίσης θόρυβος βολής. Αυτό το είδος θορύβου είναι το ίδιο για οποιαδήποτε κάμερα, αναπόφευκτο, και έχει έναν συγκεκριμένο τύπο υπολογισμού. (Δηλαδή: το τετράγωνο του θορύβου = ο μέσος όρος του σήματος). Ο δεύτερος τύπος είναι ο εγγενής θόρυβος της ίδιας της κάμερας που είναι ανεξάρτητος από το σήμα. Είναι ο θόρυβος που προκαλείται από το κύκλωμα ανάγνωσης του αισθητήρα εικόνας, το κύκλωμα επεξεργασίας και ενίσχυσης σήματος της κάμερας κ.λπ. Ο εγγενής θόρυβος κάθε κάμερας είναι διαφορετικός. Επιπλέον, για τις ψηφιακές κάμερες, παράγεται κβαντικός θόρυβος κατά την αναλογική μετατροπή των σημάτων βίντεο. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός των bit κβάντωσης, τόσο χαμηλότερος είναι ο θόρυβος.
Ο λόγος σήματος προς θόρυβο μιας κάμερας ορίζεται ως ο λόγος σήματος προς θόρυβο στην εικόνα (ο λόγος της μέσης τιμής γκρι του αποτελεσματικού σήματος προς τη ριζική μέση τετραγωνική τιμή του θορύβου), ο οποίος αντιπροσωπεύει την ποιότητα της εικόνας. Όσο υψηλότερος είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο της εικόνας, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα της εικόνας.
Το δυναμικό εύρος της κάμερας υποδεικνύει το εύρος στο οποίο η κάμερα ανιχνεύει σήματα φωτός. Το δυναμικό εύρος μπορεί να οριστεί με δύο τρόπους. Το ένα είναι το οπτικό δυναμικό εύρος, το οποίο αναφέρεται στον λόγο της μέγιστης έντασης φωτός σε κορεσμό προς την ένταση φωτός που ισοδυναμεί με την έξοδο θορύβου, η οποία καθορίζεται από τα χαρακτηριστικά του τσιπ. Το άλλο είναι το ηλεκτρονικό δυναμικό εύρος, το οποίο αναφέρεται στον λόγο μεταξύ της τάσης κορεσμού και της τάσης θορύβου. Για μια σταθερή κάμερα, το δυναμικό εύρος της είναι μια σταθερή τιμή και δεν αλλάζει με τις αλλαγές των εξωτερικών συνθηκών. Όσον αφορά τη γραμμική απόκριση, το δυναμικό εύρος της κάμερας ορίζεται ως ο λόγος της έκθεσης κορεσμού προς την έκθεση ισοδύναμου θορύβου: δυναμικό εύρος = πλήρης χωρητικότητα πλήρωσης του φωτοευαίσθητου στοιχείου / ισοδύναμο σήμα θορύβου. Το δυναμικό εύρος μπορεί να εκφραστεί σε πολλαπλάσια, dB ή Bit. Με μεγάλο δυναμικό εύρος, η κάμερα έχει ισχυρότερη ικανότητα προσαρμογής σε διαφορετικές εντάσεις φωτός.
Το ψηφιακό σήμα που εξάγεται από μια ψηφιακή κάμερα, δηλαδή, η τιμή γκρι του pixel, έχει έναν ειδικό αριθμό bit, που ονομάζεται βάθος pixel. Για ασπρόμαυρες κάμερες, το εύρος τιμών είναι συνήθως 8-16bit. Το βάθος pixel ορίζει τον αριθμό των επιπέδων γκρι από σκοτεινό σε φωτεινό. Για παράδειγμα, για μια κάμερα 8-bit, το 0 αντιπροσωπεύει πλήρες σκοτάδι και το 255 αντιπροσωπεύει πλήρη φωτεινότητα. Οι αριθμοί μεταξύ 0 και 5 αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένους δείκτες φωτεινότητας. Τα δεδομένα 10bit έχουν 1024 επίπεδα γκρι και τα δεδομένα 12bit έχουν 4096 επίπεδα γκρι. Για κάθε εφαρμογή, εξετάζουμε προσεκτικά αν απαιτούνται πολύ λεπτά επίπεδα γκρι. Η αναβάθμιση από 8bit σε 10bit ή 12bit μπορεί πράγματι να βελτιώσει την ακρίβεια μέτρησης, αλλά μειώνει επίσης την ταχύτητα του συστήματος και αυξάνει τη δυσκολία ενσωμάτωσης του συστήματος (αυξημένα καλώδια και μεγαλύτερα μεγέθη), οπότε πρέπει να επιλέξουμε προσεκτικά.
Η διεπαφή αναφέρεται στη διεπαφή μεταξύ της κάμερας και του φακού. Οι συνήθεις διεπαφές φακών περιλαμβάνουν C-mount, CS-mount και F-mount.
Παραδείγματα επιλογής κάμερας γραμμής με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα υπολογισμού είναι τα εξής:
Για παράδειγμα, εάν το πλάτος είναι 1600 mm, η ακρίβεια είναι 1 mm και η ταχύτητα κίνησης είναι 22000mm/s, η κάμερα: 1600/1=1600 pixel είναι τουλάχιστον 2000 pixel, και η κάμερα επιλέγεται ως 2k. 1600/2048=0.8. Η πραγματική ακρίβεια είναι 22000mm/0.8mm=27.5KHz. Η κάμερα πρέπει να επιλεγεί ως κάμερα 2048 pixel 28kHz.
Μια έξυπνη βιομηχανική κάμερα δεν είναι μια απλή κάμερα, αλλά ένα υψηλά ολοκληρωμένο σύστημα μικρο-μηχανικής όρασης. Ενσωματώνει λειτουργίες απόκτησης, επεξεργασίας και επικοινωνίας εικόνας σε μία μόνο κάμερα, παρέχοντας έτσι μια πολυλειτουργική, αρθρωτή, υψηλής αξιοπιστίας και εύκολη στην υλοποίηση λύση μηχανικής όρασης. Οι έξυπνες βιομηχανικές κάμερες αποτελούνται γενικά από μονάδες απόκτησης εικόνας, μονάδες επεξεργασίας εικόνας, λογισμικό επεξεργασίας εικόνας, συσκευές δικτυακής επικοινωνίας κ.λπ. Λόγω της εφαρμογής της τελευταίας τεχνολογίας DSP, FPGA και αποθήκευσης μεγάλης χωρητικότητας, το επίπεδο νοημοσύνης της συνεχώς αυξάνεται και μπορεί να καλύψει διάφορες ανάγκες εφαρμογών μηχανικής όρασης.
Οι δύο κύριοι τύποι φωτοηλεκτρικών αισθητήρων που χρησιμοποιούνται στη μηχανική όραση είναι τα τσιπ CCD και τα τσιπ CMOS. Ο CCD είναι η συντομογραφία του ChargeCoupled Device και ο CMOS είναι Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T