Сколько из этих 31 вопросов вы знаете о промышленных камерах?

Некоторые инженеры машинного зрения часто считают, что промышленные камеры с интерфейсами USB вызывают потерю кадров. Вообще говоря, потеря кадров в промышленных камерах не имеет ничего общего с используемым интерфейсом передачи, будь то USB, 1394, GigE или CameraLink. Плохо разработанные драйверы или аппаратное обеспечение промышленных камер являются истинной причиной потери кадров: Причина, по которой плохо разработанные промышленные камеры испытывают потерю кадров, заключается в том, что канал передачи данных заблокирован и не может быть своевременно обработан. Следовательно, когда поступает новое изображение, предыдущее может быть принудительно отброшено, или новое изображение может быть принудительно отброшено. Чтобы решить эту проблему, дизайнеры должны проводить точное проектирование каждого звена передачи данных между драйвером и аппаратным обеспечением промышленной камеры.

В технологии машинного зрения входные и выходные интерфейсы промышленных камер включают Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet и USB3.0;

Первый шаг — выбрать правильный объектив. Выбор объектива должен следовать следующим принципам:

1. Какой размер чипа у соответствующей камеры?
2. Какой тип интерфейса у камеры? Интерфейс C, интерфейс CS или другие интерфейсы;
3. Рабочее расстояние объектива;
4. Угол обзора объектива;
5. Спектральные характеристики объектива;
6. Коэффициент дисторсии объектива;
7. Размеры механической конструкции объектива;

При выборе ПЗС-камеры следует учитывать следующие аспекты:

1. Тип светочувствительного чипа; CCD или CMOS
2. Видеохарактеристики; включая частоту кликов и частоту строк.
3. Интерфейс выходного сигнала;
4. Режимы работы камеры: непрерывный, триггерный, управляемый, асинхронный сброс, длительная интеграция.
5. Методы регулировки и управления видеопараметрами: ручной, RS232.

В то же время, при выборе ПЗС, следует обратить внимание на 1 дюйм = 16 мм, а не 25,4 мм.

1. Процесс формирования изображения

Принцип фотоэлектрического преобразования ПЗС и КМОП-датчиков изображения одинаков. Основное различие между ними заключается в различном процессе считывания сигнала. Поскольку ПЗС имеет только один (или несколько) выходных узлов для унифицированного считывания, согласованность его выходного сигнала очень хорошая. В КМОП-чипе каждый пиксель имеет свой собственный усилитель сигнала, который выполняет преобразование заряда в напряжение, и согласованность его выходного сигнала плохая. Однако для считывания всего сигнала изображения ПЗС требует более широкой полосы пропускания выходного усилителя. В КМОП-чипе требование к полосе пропускания усилителя в каждом пикселе ниже, что значительно снижает энергопотребление чипа. Это основная причина, по которой энергопотребление КМОП-чипов ниже, чем у ПЗС. Хотя энергопотребление снижено, несогласованность миллионов усилителей приводит к более высокому фиксированному шуму, что является присущим недостатком КМОП по сравнению с ПЗС.

2. Интеграция

С точки зрения производственного процесса, схемы и устройства в ПЗС интегрированы в производителе материала полупроводникового монокристалла, и процесс относительно сложен. В мире существует лишь несколько производителей, способных производить ПЗС-пластины, таких как DALSA, SONY, Panasonic и т. д. ПЗС может выводить только аналоговые электрические сигналы, что требует последующего декодера адреса, аналогового преобразователя и обработки процессором изображения. Также необходимо обеспечить три набора синхронизирующих тактовых управляющих схем с различными напряжениями, а уровень интеграции очень низкий. КМОП интегрирован на одном материале, называемом металлооксидом. Этот процесс такой же, как и процесс, используемый для производства десятков тысяч полупроводниковых интегральных схем, таких как компьютерные чипы и устройства хранения данных. Поэтому стоимость звукового поля КМОП намного ниже, чем у ПЗС. В то же время КМОП-чип может интегрировать усилитель сигнала изображения, схему считывания сигнала, схему А/Ц преобразования, процессор изображения и контроллер в один чип. Только один чип может реализовать все основные функции камеры. Уровень интеграции очень высок. Отсюда и концепция камер на уровне чипов. С непрерывным развитием технологии КМОП-изображений все больше компаний могут предоставлять высококачественные КМОП-чипы для обработки изображений, включая: Micron, CMOSIS, Cypress и т. д.

3. Скорость

ПЗС использует фоточувствительный вывод по одному и может выводить только по заданной программе, и скорость низкая. КМОП имеет несколько преобразователей заряд-напряжение и управление переключателями строк-столбцов, и скорость считывания намного выше. В настоящее время большинство высокоскоростных камер с частотой выше 500 кадров в секунду являются КМОП-камерами. Кроме того, переключатель строба адреса КМОП может случайным образом выбирать выборку для реализации вывода под-окна, и более высокая скорость может быть достигнута при выводе только под-оконных изображений.

4. Шум

Технология ПЗС разработана раньше и относительно зрелая. Она использует PN-переход или слой изоляции из диоксида кремния (SiO2) для изоляции шума. Качество изображения имеет определенные преимущества перед КМОП-фотоэлектрическими датчиками. Из-за высокого уровня интеграции КМОП-датчиков изображения расстояние между компонентами и схемами очень мало, помехи серьезны, и шум оказывает большое влияние на качество изображения.

В последние годы, с непрерывным развитием технологии снижения шума КМОП-схем, созданы хорошие условия для производства высокоплотных и высококачественных КМОП-датчиков изображения.

• Разрешение
• Скорость (частота кадров/частота строк)
• Шум
• Соотношение сигнал/шум
• Динамический диапазон
• Глубина пикселя
• Спектральный отклик
• Оптический интерфейс

Разрешение — это самый базовый параметр камеры. Оно определяется разрешением чипа, используемого в камере. Это количество пикселей, расположенных на поверхности мишени чипа. Обычно разрешение камеры с построчной разверткой выражается двумя числами: горизонтальное и вертикальное разрешение, например: 1920 (H) x 1080 (V). Первое число указывает количество пикселей в каждой строке, то есть всего 1920 пикселей, а следующее число указывает количество строк пикселей, то есть 1080 строк. В настоящее время разрешение камеры обычно указывает, сколько K, например 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096) и т. д. При захвате изображений разрешение камеры оказывает большое влияние на качество изображения. При съемке одного и того же большого поля зрения (диапазон сцены) чем выше разрешение, тем более очевидными будут детали.

Частота кадров/частота строк камеры указывает частоту, с которой камера собирает изображения. Обычно камеры с матричной разверткой выражаются в частоте кадров, а единица измерения — кадров в секунду (fps). Например, 30 кадров в секунду означает, что камера может собрать до 30 кадров изображений за 1 секунду. Камеры с линейной разверткой обычно используют частоту строк в единицах КГц. Например, 12 КГц означает, что камера может собрать до 12 000 строк данных изображения за 1 секунду. Скорость — важный параметр камеры. В практических приложениях часто требуется снимать движущиеся объекты. Скорость камеры должна соответствовать определенным требованиям, чтобы снимать объекты четко и точно. На частоту кадров и частоту строк камеры в первую очередь влияет частота кадров и частота строк чипа. Максимальная расчетная скорость чипа в основном определяется максимальной тактовой частотой, которую может выдержать чип.

Шум промышленных камер относится к сигналам, которые не ожидается собрать в процессе формирования изображения и которые находятся за пределами фактической цели изображения. Согласно европейскому стандарту тестирования камер EMVA1288, шум в камере можно разделить на две категории: одна — это статистический шум флуктуаций, вызванный эффективным сигналом, соответствующим распределению Пуассона, также называемый дробовым шумом. Этот вид шума одинаков для любой камеры, неизбежен и имеет определенную формулу расчета. (То есть: квадрат шума = среднее значение сигнала). Второй тип — это собственный шум камеры, не зависящий от сигнала. Это шум, вызванный схемой считывания датчика изображения, схемой обработки и усиления сигнала камеры и т. д. Собственный шум каждой камеры различен. Кроме того, для цифровых камер при аналоговом преобразовании видеосигналов возникает шум квантования. Чем выше количество бит квантования, тем ниже шум.

Соотношение сигнал/шум камеры определяется как отношение сигнала к шуму в изображении (отношение среднего значения серого уровня эффективного сигнала к среднеквадратичному значению шума), что отражает качество изображения. Чем выше соотношение сигнал/шум изображения, тем лучше качество изображения.

Динамический диапазон камеры указывает диапазон, в котором камера обнаруживает световые сигналы. Динамический диапазон может быть определен двумя способами. Один — оптический динамический диапазон, который относится к отношению максимальной интенсивности света при насыщении к интенсивности света, эквивалентной выходному шуму, которое определяется характеристиками чипа. Другой — электронный динамический диапазон, который относится к отношению напряжения насыщения к напряжению шума. Для фиксированной камеры ее динамический диапазон является фиксированным значением и не изменяется при изменении внешних условий. С точки зрения линейного отклика, динамический диапазон камеры определяется как отношение экспозиции насыщения к экспозиции, эквивалентной шуму: динамический диапазон = полная емкость фоточувствительного элемента / эквивалентный шумовой сигнал. Динамический диапазон может быть выражен в кратах, дБ или битах. При большом динамическом диапазоне камера обладает более сильной способностью адаптироваться к различным интенсивностям света.

Цифровой сигнал, выводимый цифровой камерой, то есть значение серого уровня пикселя, имеет определенное количество бит, называемое глубиной пикселя. Для черно-белых камер диапазон значений обычно составляет 8-16 бит. Глубина пикселя определяет количество уровней серого от темного до яркого. Например, для 8-битной камеры 0 означает полную темноту, а 255 — полную яркость. Числа от 0 до 5 представляют определенные индикаторы яркости. 10-битные данные имеют 1024 уровня серого, а 12-битные данные — 4096 уровней серого. Для каждого приложения мы тщательно рассматриваем, требуются ли очень тонкие уровни серого. Обновление с 8 бит до 10 бит или 12 бит действительно может повысить точность измерения, но также снижает скорость системы и увеличивает сложность интеграции системы (увеличение кабелей и размеров), поэтому мы должны выбирать осторожно.

Интерфейс относится к интерфейсу между камерой и объективом. Обычно используемые интерфейсы объективов включают C-mount, CS-mount и F-mount.

• Классификация по структуре чипа: ПЗС-камера и КМОП-камера
• По структуре датчика: камера с матричной разверткой и камера с линейной разверткой
• Классификация по режиму вывода: аналоговая камера и цифровая камера
• Цветная камера и черно-белая камера

• Время затвора промышленных камер особенно короткое, и они могут четко снимать быстро движущиеся объекты, в то время как обычные камеры очень размыты при съемке быстро движущихся объектов;
• Датчик изображения промышленной камеры имеет прогрессивную развертку, в то время как датчик изображения обычной камеры имеет чересчересстрочную развертку или даже развертку по трем строкам;
• Скорость съемки промышленных камер намного выше, чем у обычных камер; промышленные камеры могут делать от десяти до сотен снимков в секунду, в то время как обычные камеры могут делать только 2-3 снимка;
• Промышленные камеры выводят необработанные данные, и их спектральный диапазон часто относительно широк, что более подходит для алгоритмов обработки изображений высокого качества и обычно используется в системах машинного зрения. Что касается снимков, сделанных обычными камерами, их спектральный диапазон подходит только для человеческого зрения, и они были сжаты MPEG, поэтому качество изображения также низкое;

1. Рассчитайте разрешение: Разделите ширину на минимальную точность обнаружения, чтобы получить количество пикселей, необходимых для каждой строки.
2. Точность обнаружения: Фактическая точность обнаружения получается путем деления ширины на количество пикселей.
3. Количество строк сканирования: Разделите длину скорости движения в секунду на точность, чтобы получить количество строк сканирования в секунду.

Примеры выбора камеры с линейной разверткой на основе вышеприведенных результатов расчета:

Например, если ширина составляет 1600 мм, точность — 1 мм, а скорость движения — 22000 мм/с, то камера: 1600/1 = 1600 пикселей, что составляет не менее 2000 пикселей, и камера выбирается как 2k. 1600/2048 = 0,8. Фактическая точность составляет 22000 мм/0,8 мм = 27,5 кГц. Камера должна быть выбрана как 2048 пикселей, 28 кГц.

• Датчики линейной развертки, используемые в камерах с линейной разверткой, обычно имеют только один ряд фоточувствительных элементов (несколько цветных датчиков линейной развертки используют три ряда фоточувствительных элементов)
• Камера с линейной разверткой собирает только одну строку изображений за раз;
• Камера с линейной разверткой выводит только одну строку изображений за раз;
• По сравнению с традиционными камерами с матричной разверткой, сканирование с матричной разверткой собирает несколько строк изображений каждый раз и выводит их кадрами.

• Камеры с линейной разверткой имеют более высокое разрешение; каждая строка пикселей камеры с линейной разверткой обычно составляет 1024, 2048, 4096, 8012; в то время как обычная камера с матричной разверткой имеет только 640, 768, 1280, а матрицы размером более 2048 встречаются редко.
• Скорость захвата камер с линейной разверткой выше; скорость захвата различных моделей камер с линейной разверткой варьируется от 5000 строк в секунду до 60 000 строк в секунду. Пользователи могут выбирать несколько строк или каждую десятую строку для формирования кадра изображения для обработки, поэтому может быть достигнута очень высокая частота кадров.
• Камеры с линейной разверткой могут непрерывно собирать и обрабатывать без перерыва; камеры с линейной разверткой могут непрерывно собирать линейно движущиеся объекты (линейные направляющие, бумагу на рулонах, ткани, печатные материалы, объекты на конвейерных лентах и т. д.).
• Камеры с линейной разверткой имеют более простую и разумную структуру. По сравнению с камерами с матричной разверткой, камеры с линейной разверткой не теряют разрешение и не собирают бесполезные данные.

Интеллектуальная промышленная камера — это не просто камера, а высокоинтегрированная микросистема машинного зрения. Она объединяет функции сбора, обработки и передачи изображений в одной камере, тем самым предоставляя многофункциональное, модульное, высоконадежное и простое в реализации решение для машинного зрения. Интеллектуальные промышленные камеры обычно состоят из блоков сбора изображений, блоков обработки изображений, программного обеспечения для обработки изображений, устройств сетевой связи и т. д. Благодаря применению новейших DSP, FPGA и технологий хранения большой емкости, уровень их интеллекта постоянно растет и может удовлетворять различные потребности приложений машинного зрения.

Два основных типа фотоэлектрических датчиков, используемых в машинном зрении, — это ПЗС-чипы и КМОП-чипы. ПЗС — это сокращение от ChargeCoupled Device, а КМОП — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T