2026-08-09
วิศวกร Machine Vision หลายคนมักคิดว่ากล้องอุตสาหกรรมที่มีอินเทอร์เฟซ USB จะทำให้เกิดเฟรมสูญหาย โดยทั่วไปแล้ว การสูญหายของเฟรมกล้องอุตสาหกรรมไม่เกี่ยวข้องกับอินเทอร์เฟซการส่งข้อมูลที่ใช้โดยกล้องอุตสาหกรรม ไม่ว่าจะเป็น USB, 1394, GigE หรือ CameraLink ไดรเวอร์ที่ออกแบบมาไม่ดีหรือฮาร์ดแวร์กล้องอุตสาหกรรมเป็นสาเหตุที่แท้จริงของการสูญหายของเฟรม: เหตุผลที่กล้องอุตสาหกรรมที่ออกแบบมาไม่ดีประสบปัญหาเฟรมสูญหายนั้นเกิดจากช่องข้อมูลถูกบล็อกและไม่สามารถประมวลผลได้ทันเวลา ดังนั้น เมื่อมีภาพใหม่เข้ามา ภาพก่อนหน้านี้อาจถูกบังคับให้ทิ้งไป หรือภาพใหม่ก็อาจถูกบังคับให้ทิ้งไป เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ผู้ออกแบบจำเป็นต้องดำเนินการออกแบบที่แม่นยำสำหรับแต่ละลิงก์ของการส่งข้อมูลระหว่างไดรเวอร์และฮาร์ดแวร์กล้องอุตสาหกรรม
ในเทคโนโลยีการตรวจสอบ Machine Vision อินเทอร์เฟซอินพุตและเอาต์พุตของกล้องอุตสาหกรรม ได้แก่ Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet และ USB3.0;
ขั้นตอนแรกคือการเลือกเลนส์ที่เหมาะสม การเลือกเลนส์ควรเป็นไปตามหลักการดังต่อไปนี้:
เมื่อเลือกกล้อง CCD ควรพิจารณาประเด็นต่อไปนี้:
ในขณะเดียวกัน เมื่อเลือก CCD ควรให้ความสนใจว่า 1 นิ้ว = 16 มม. แทนที่จะเป็น 25.4 มม.
1. กระบวนการสร้างภาพ
หลักการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของเซ็นเซอร์ภาพ CCD และ CMOS เหมือนกัน ความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองคือกระบวนการอ่านสัญญาณที่แตกต่างกัน เนื่องจาก CCD มีโหนดเอาต์พุตเพียงหนึ่งโหนด (หรือไม่กี่โหนด) สำหรับการอ่านแบบรวม ความสอดคล้องของสัญญาณเอาต์พุตจึงดีมาก ในชิป CMOS แต่ละพิกเซลมีแอมพลิฟายเออร์สัญญาณของตัวเอง ซึ่งทำการแปลงประจุเป็นแรงดันไฟฟ้า และความสอดคล้องของสัญญาณเอาต์พุตจะแย่ อย่างไรก็ตาม เพื่ออ่านสัญญาณภาพทั้งหมด CCD ต้องการแบนด์วิดท์สัญญาณที่กว้างขึ้นของแอมพลิฟายเออร์เอาต์พุต ในชิป CMOS ความต้องการแบนด์วิดท์ของแอมพลิฟายเออร์ในแต่ละพิกเซลจะต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานของชิปได้อย่างมาก นี่คือเหตุผลหลักที่การใช้พลังงานของชิป CMOS ต่ำกว่า CCD แม้ว่าการใช้พลังงานจะลดลง แต่ความไม่สอดคล้องกันของแอมพลิฟายเออร์หลายล้านตัวส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนคงที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นข้อเสียโดยธรรมชาติของ CMOS เมื่อเทียบกับ CCD
2. การรวมระบบ
จากมุมมองของกระบวนการผลิต วงจรและอุปกรณ์ใน CCD จะถูกรวมเข้ากับวัสดุผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำของผู้ผลิต และกระบวนการค่อนข้างซับซ้อน มีผู้ผลิตเพียงไม่กี่รายในโลกที่สามารถผลิตเวเฟอร์ CCD ได้ เช่น DALSA, SONY, Panasonic เป็นต้น CCD สามารถส่งออกสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาล็อกเท่านั้น ซึ่งต้องใช้ตัวถอดรหัสที่อยู่, ตัวแปลงอะนาล็อก และโปรเซสเซอร์สัญญาณภาพในการประมวลผลภายหลัง นอกจากนี้ยังต้องมีวงจรควบคุมสัญญาณนาฬิกาซิงโครไนซ์สามชุดที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน และระดับการรวมระบบต่ำมาก CMOS จะถูกรวมเข้ากับวัสดุเดียวที่เรียกว่าโลหะออกไซด์ กระบวนการนี้เหมือนกับกระบวนการที่ใช้ในการผลิตวงจรรวมสารกึ่งตัวนำหลายหมื่นรายการ เช่น ชิปคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ดังนั้น ต้นทุนของ CMOS ในสนามเสียงจึงต่ำกว่า CCD มาก ในขณะเดียวกัน ชิป CMOS สามารถรวมแอมพลิฟายเออร์สัญญาณภาพ, วงจรการอ่านสัญญาณ, วงจรแปลง A/D, โปรเซสเซอร์สัญญาณภาพ และคอนโทรลเลอร์เข้าไว้ในชิปเดียว เพียงชิปเดียวก็สามารถทำงานพื้นฐานทั้งหมดของกล้องได้ ระดับการรวมระบบสูงมาก นี่คือที่มาของแนวคิดกล้องระดับชิป ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างภาพ CMOS อย่างต่อเนื่อง บริษัทจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ สามารถจัดหาชิปสร้างภาพ CMOS คุณภาพสูงได้ รวมถึง: Micron, CMOSIS, Cypress เป็นต้น
3. ความเร็ว
CCD ใช้การส่งออกไวแสงทีละรายการ และสามารถส่งออกได้ตามโปรแกรมที่กำหนดเท่านั้น และความเร็วจะช้า CMOS มีตัวแปลงประจุ-แรงดันไฟฟ้าหลายตัวและระบบควบคุมสวิตช์แถว-คอลัมน์ และความเร็วในการอ่านจะเร็วกว่ามาก ปัจจุบันกล้องความเร็วสูงส่วนใหญ่ที่สูงกว่า 500fps เป็นกล้อง CMOS นอกจากนี้ สวิตช์สัญญาณ strobe ของ CMOS สามารถสุ่มตัวอย่างเพื่อเปิดใช้งานการส่งออกหน้าต่างย่อย และสามารถบรรลุความเร็วที่สูงขึ้นได้เมื่อส่งออกเฉพาะภาพหน้าต่างย่อยเท่านั้น
4. สัญญาณรบกวน
เทคโนโลยี CCD พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้และค่อนข้างสมบูรณ์แบบ ใช้รอยต่อ PN หรือชั้นฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) เพื่อแยกสัญญาณรบกวน คุณภาพของภาพมีข้อได้เปรียบเหนือเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก CMOS เนื่องจากระดับการรวมระบบของเซ็นเซอร์ภาพ CMOS สูง ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบและวงจรจึงใกล้มาก การรบกวนจึงรุนแรง และสัญญาณรบกวนส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของภาพ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีลดสัญญาณรบกวนวงจร CMOS อย่างต่อเนื่อง ได้มีการจัดเตรียมเงื่อนไขที่ดีสำหรับการผลิตเซ็นเซอร์ภาพ CMOS ที่มีความหนาแน่นสูงและคุณภาพสูง
ความละเอียดเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานที่สุดของกล้อง กำหนดโดยความละเอียดของชิปที่ใช้ในกล้อง คือจำนวนพิกเซลที่จัดเรียงบนพื้นผิวเป้าหมายของชิป โดยทั่วไปความละเอียดของกล้องสแกนพื้นที่จะแสดงด้วยตัวเลขสองตัว: ความละเอียดแนวนอนและแนวตั้ง เช่น: 1920 (H) x 1080 (V) ตัวเลขแรกแสดงจำนวนพิกเซลในแต่ละแถว นั่นคือมีพิกเซลทั้งหมด 1920 พิกเซล และตัวเลขถัดไปแสดงจำนวนแถวของพิกเซล นั่นคือ 1080 แถว ปัจจุบันความละเอียดของกล้องมักจะบ่งบอกว่ามีกี่ K เช่น 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096) เป็นต้น เมื่อทำการจับภาพ ความละเอียดของกล้องมีผลอย่างมากต่อคุณภาพของภาพ เมื่อถ่ายภาพมุมมองขนาดใหญ่เดียวกัน (ช่วงทิวทัศน์) ความละเอียดที่สูงขึ้น รายละเอียดจะปรากฏชัดเจนยิ่งขึ้น
อัตราเฟรม/ความถี่บรรทัดของกล้องบ่งบอกถึงความถี่ที่กล้องเก็บภาพ โดยทั่วไปกล้องอาร์เรย์พื้นที่จะแสดงด้วยอัตราเฟรม และหน่วยคือ fps (Frame Per second) เช่น 30fps หมายความว่ากล้องสามารถเก็บเฟรมภาพได้สูงสุด 30 เฟรมใน 1 วินาที กล้องอาร์เรย์เชิงเส้นมักใช้ความถี่บรรทัดในหน่วย KHz เช่น 12KHz หมายความว่ากล้องสามารถเก็บข้อมูลภาพได้สูงสุด 12,000 บรรทัดใน 1 วินาที ความเร็วเป็นพารามิเตอร์สำคัญของกล้อง ในการใช้งานจริง มักจำเป็นต้องถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนไหว ความเร็วของกล้องต้องเป็นไปตามข้อกำหนดบางประการเพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจนและแม่นยำ อัตราเฟรมและอัตราบรรทัดของกล้องได้รับผลกระทบจากอัตราเฟรมและอัตราบรรทัดของชิปเป็นอันดับแรก ความเร็วสูงสุดที่ออกแบบไว้ของชิปส่วนใหญ่กำหนดโดยสัญญาณนาฬิกาสูงสุดที่ชิปสามารถทนได้
สัญญาณรบกวนของกล้องอุตสาหกรรมหมายถึงสัญญาณที่ไม่คาดว่าจะถูกเก็บรวบรวมในระหว่างกระบวนการสร้างภาพและอยู่นอกเป้าหมายการสร้างภาพจริง ตามมาตรฐานการทดสอบกล้อง EMVA1288 ของยุโรป สัญญาณรบกวนในกล้องสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: หนึ่งคือสัญญาณรบกวนจากการผันผวนทางสถิติที่เกิดจากสัญญาณที่มีประสิทธิภาพซึ่งเป็นไปตามการแจกแจงแบบปัวซง หรือที่เรียกว่าสัญญาณรบกวนแบบช็อต สัญญาณรบกวนประเภทนี้เหมือนกันสำหรับกล้องทุกตัว หลีกเลี่ยงไม่ได้ และมีสูตรการคำนวณเฉพาะ (นั่นคือ: ค่ากำลังสองของสัญญาณรบกวน = ค่าเฉลี่ยของสัญญาณ) ประเภทที่สองคือสัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวกล้องเองซึ่งไม่ขึ้นกับสัญญาณ สัญญาณรบกวนนี้เกิดจากวงจรการอ่านเซ็นเซอร์ภาพ วงจรประมวลผลและขยายสัญญาณของกล้อง เป็นต้น สัญญาณรบกวนภายในของกล้องแต่ละตัวจะแตกต่างกัน นอกจากนี้ สำหรับกล้องดิจิทัล สัญญาณรบกวนจากการควอนไทซ์จะเกิดขึ้นเมื่อมีการแปลงสัญญาณวิดีโอแบบอะนาล็อก จำนวนบิตควอนไทซ์ที่สูงขึ้น สัญญาณรบกวนจะต่ำลง
อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของกล้องถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนในภาพ (อัตราส่วนของค่าระดับสีเทาเฉลี่ยของสัญญาณที่มีประสิทธิภาพต่อค่ารากที่สองเฉลี่ยของสัญญาณรบกวน) ซึ่งแสดงถึงคุณภาพของภาพ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของภาพที่สูงขึ้น คุณภาพของภาพก็จะดีขึ้น
ช่วงไดนามิกของกล้องบ่งบอกถึงช่วงที่กล้องตรวจจับสัญญาณแสง ช่วงไดนามิกสามารถกำหนดได้สองวิธี: หนึ่งคือช่วงไดนามิกแบบออปติคัล ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนของความเข้มแสงสูงสุดที่อิ่มตัวต่อความเข้มแสงที่เทียบเท่ากับเอาต์พุตสัญญาณรบกวน ซึ่งกำหนดโดยลักษณะของชิป อีกวิธีหนึ่งคือช่วงไดนามิกแบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนระหว่างแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวและแรงดันไฟฟ้าสัญญาณรบกวน สำหรับกล้องที่กำหนด ช่วงไดนามิกจะเป็นค่าคงที่และไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายนอก ในแง่ของการตอบสนองเชิงเส้น ช่วงไดนามิกของกล้องถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของค่าแสงที่อิ่มตัวต่อค่าแสงที่เทียบเท่าสัญญาณรบกวน: ช่วงไดนามิก = ความจุเต็มขององค์ประกอบไวแสง / สัญญาณรบกวนที่เทียบเท่า ช่วงไดนามิกสามารถแสดงเป็นเท่า, dB หรือ Bit ด้วยช่วงไดนามิกที่ใหญ่ กล้องจะมีความสามารถในการปรับตัวเข้ากับความเข้มแสงที่แตกต่างกันได้ดีขึ้น
สัญญาณดิจิทัลที่ส่งออกโดยกล้องดิจิทัล นั่นคือ ค่าระดับสีเทาของพิกเซล มีจำนวนบิตเฉพาะ เรียกว่าความลึกของพิกเซล สำหรับกล้องขาวดำ ช่วงค่ามักจะเป็น 8-16 บิต ความลึกของพิกเซลกำหนดจำนวนระดับสีเทาจากมืดไปสว่าง ตัวอย่างเช่น สำหรับกล้อง 8 บิต 0 หมายถึงมืดสนิท และ 255 หมายถึงสว่างสนิท ตัวเลขระหว่าง 0 ถึง 5 แสดงถึงตัวบ่งชี้ความสว่างบางอย่าง ข้อมูล 10 บิตมีระดับสีเทา 1024 ระดับ และข้อมูล 12 บิตมีระดับสีเทา 4096 ระดับ สำหรับแต่ละแอปพลิเคชัน เราพิจารณาอย่างรอบคอบว่าจำเป็นต้องมีระดับสีเทาที่ละเอียดมากหรือไม่ การอัปเกรดจาก 8 บิตเป็น 10 บิตหรือ 12 บิตสามารถเพิ่มความแม่นยำในการวัดได้อย่างแท้จริง แต่ก็จะลดความเร็วของระบบและเพิ่มความยากในการรวมระบบ (สายเคเบิลที่เพิ่มขึ้นและขนาดที่ใหญ่ขึ้น) ดังนั้นเราต้องเลือกอย่างระมัดระวัง
อินเทอร์เฟซหมายถึงอินเทอร์เฟซระหว่างกล้องและเลนส์ อินเทอร์เฟซเลนส์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ C-mount, CS-mount และ F-mount
ตัวอย่างการเลือกกล้องอาร์เรย์เชิงเส้นตามผลการคำนวณข้างต้น มีดังนี้:
ตัวอย่างเช่น หากความกว้างคือ 1600 มม. ความแม่นยำคือ 1 มม. และความเร็วในการเคลื่อนที่คือ 22000 มม./วินาที กล้อง: 1600/1 = 1600 พิกเซล อย่างน้อย 2000 พิกเซล และกล้องถูกเลือกเป็น 2k 1600/2048 = 0.8 ความแม่นยำจริงคือ 22000 มม./0.8 มม. = 27.5KHz กล้องควรถูกเลือกเป็นกล้อง 2048 พิกเซล 28kHz
กล้องอุตสาหกรรมอัจฉริยะไม่ใช่กล้องธรรมดา แต่เป็นระบบ Machine Vision ขนาดเล็กที่รวมเข้าด้วยกันอย่างสูง มันรวมฟังก์ชันการจับภาพ, การประมวลผล และการสื่อสารเข้าไว้ในกล้องเดียว จึงมอบโซลูชัน Machine Vision ที่มีฟังก์ชันหลากหลาย, เป็นโมดูลาร์, มีความน่าเชื่อถือสูง และใช้งานง่าย กล้องอุตสาหกรรมอัจฉริยะโดยทั่วไปประกอบด้วยหน่วยจับภาพ, หน่วยประมวลผลภาพ, ซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพ, อุปกรณ์สื่อสารเครือข่าย ฯลฯ เนื่องจากมีการใช้เทคโนโลยี DSP, FPGA และเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลความจุสูงล่าสุด ระดับความอัจฉริยะจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและสามารถตอบสนองความต้องการแอปพลิเคชัน Machine Vision ที่หลากหลายได้
ชิปไวแสงหลักสองประเภทที่ใช้ใน Machine Vision คือชิป CCD และชิป CMOS CCD ย่อมาจาก ChargeCoupled Device และ CMOS ย่อมาจาก Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T
