2026-08-09
Một số kỹ sư thị giác máy thường cho rằng camera công nghiệp có giao diện USB sẽ gây ra hiện tượng mất khung hình. Nói chung, hiện tượng mất khung hình của camera công nghiệp không liên quan đến giao diện truyền dẫn được sử dụng bởi camera công nghiệp, cho dù đó là USB, 1394, GigE hay CameraLink. Trình điều khiển được thiết kế kém hoặc phần cứng camera công nghiệp là nguyên nhân thực sự gây ra hiện tượng mất khung hình: Lý do camera công nghiệp được thiết kế kém gặp phải hiện tượng mất khung hình là do kênh dữ liệu bị chặn và không thể xử lý kịp thời. Do đó, khi một hình ảnh mới đến, hình ảnh trước đó có thể bị buộc phải loại bỏ, hoặc hình ảnh mới có thể bị buộc phải loại bỏ. Để giải quyết vấn đề này, các nhà thiết kế cần thực hiện thiết kế chính xác cho từng liên kết truyền dữ liệu giữa trình điều khiển và phần cứng camera công nghiệp.
Trong công nghệ kiểm tra thị giác máy, các giao diện đầu vào và đầu ra của camera công nghiệp bao gồm Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet và USB3.0;
Bước đầu tiên là chọn ống kính phù hợp. Việc lựa chọn ống kính nên tuân theo các nguyên tắc sau:
Khi chọn camera CCD, bạn nên xem xét các khía cạnh sau:
Đồng thời, khi chọn CCD, bạn nên lưu ý 1 inch = 16mm thay vì 25,4mm.
1. Quá trình tạo ảnh
Nguyên lý chuyển đổi quang điện của cảm biến hình ảnh CCD và CMOS là như nhau. Sự khác biệt chính giữa chúng là quy trình đọc tín hiệu khác nhau. Vì CCD chỉ có một (hoặc một vài) nút xuất để đọc thống nhất, nên tính nhất quán của tín hiệu đầu ra rất tốt. Trong chip CMOS, mỗi pixel có bộ khuếch đại tín hiệu riêng, thực hiện chuyển đổi điện tích sang điện áp, và tính nhất quán của tín hiệu đầu ra kém. Tuy nhiên, để đọc toàn bộ tín hiệu hình ảnh, CCD yêu cầu băng thông tín hiệu rộng hơn của bộ khuếch đại đầu ra. Trong chip CMOS, yêu cầu băng thông của bộ khuếch đại trong mỗi pixel thấp hơn, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng của chip. Đây là lý do chính khiến mức tiêu thụ điện năng của chip CMOS thấp hơn CCD. Mặc dù mức tiêu thụ điện năng giảm, nhưng sự không nhất quán của hàng triệu bộ khuếch đại dẫn đến nhiễu cố định cao hơn, đây là một nhược điểm cố hữu của CMOS so với CCD.
2. Tích hợp
Từ góc độ quy trình sản xuất, các mạch và thiết bị trong CCD được tích hợp trong vật liệu đơn tinh thể bán dẫn của nhà sản xuất, và quy trình tương đối phức tạp. Chỉ có một vài nhà sản xuất trên thế giới có thể sản xuất wafer CCD, chẳng hạn như DALSA, SONY, Panasonic, v.v. CCD chỉ có thể xuất tín hiệu điện tương tự, yêu cầu bộ giải mã địa chỉ, bộ chuyển đổi tương tự và bộ xử lý tín hiệu hình ảnh xử lý sau đó. Nó cũng cần cung cấp ba bộ mạch điều khiển đồng bộ hóa xung nhịp với các điện áp khác nhau, và mức độ tích hợp rất thấp. CMOS được tích hợp trên một vật liệu gọi là oxit kim loại. Quy trình này giống với quy trình được sử dụng để sản xuất hàng chục nghìn mạch tích hợp bán dẫn như chip máy tính và thiết bị lưu trữ. Do đó, chi phí của CMOS trường âm thanh thấp hơn nhiều so với CCD. Đồng thời, chip CMOS có thể tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu hình ảnh, mạch đọc tín hiệu, mạch chuyển đổi A/D, bộ xử lý tín hiệu hình ảnh và bộ điều khiển vào một chip. Chỉ một chip có thể thực hiện tất cả các chức năng cơ bản của camera. Mức độ tích hợp rất cao. Đây là nguồn gốc của khái niệm camera cấp chip. Với sự phát triển liên tục của công nghệ hình ảnh CMOS, ngày càng có nhiều công ty có thể cung cấp các chip hình ảnh CMOS chất lượng cao, bao gồm: Micron, CMOSIS, Cypress, v.v.
3. Tốc độ
CCD sử dụng đầu ra cảm quang từng cái một, và chỉ có thể xuất theo chương trình quy định, và tốc độ chậm. CMOS có nhiều bộ chuyển đổi điện tích-điện áp và điều khiển công tắc hàng cột, và tốc độ đọc nhanh hơn nhiều. Hiện tại, hầu hết các camera tốc độ cao trên 500fps là camera CMOS. Ngoài ra, công tắc đèn hiệu địa chỉ CMOS có thể lấy mẫu ngẫu nhiên để thực hiện đầu ra cửa sổ phụ, và tốc độ cao hơn có thể đạt được khi chỉ xuất hình ảnh cửa sổ phụ.
4. Nhiễu
Công nghệ CCD phát triển sớm hơn và tương đối trưởng thành. Nó sử dụng lớp cách ly PN junction hoặc silicon dioxide (SiO2) để cách ly nhiễu. Chất lượng hình ảnh có những ưu điểm nhất định so với cảm biến quang điện CMOS. Do mức độ tích hợp cao của cảm biến hình ảnh CMOS, khoảng cách giữa các thành phần và mạch rất gần, nhiễu nghiêm trọng, và nhiễu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển liên tục của công nghệ giảm nhiễu mạch CMOS, điều kiện tốt đã được cung cấp cho việc sản xuất các cảm biến hình ảnh CMOS mật độ cao và chất lượng cao.
Độ phân giải là thông số cơ bản nhất của camera. Nó được xác định bởi độ phân giải của chip được sử dụng trong camera. Nó là số lượng pixel được sắp xếp trên bề mặt mục tiêu của chip. Thông thường độ phân giải của camera quét diện tích được biểu thị bằng hai số: độ phân giải ngang và dọc, ví dụ: 1920 (H) x 1080 (V). Số đầu tiên chỉ số lượng pixel trong mỗi hàng, tức là có tổng cộng 1920 pixel, và số tiếp theo chỉ số lượng hàng pixel, tức là 1080 hàng. Ngày nay, độ phân giải của camera thường chỉ ra bao nhiêu K, chẳng hạn như 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096), v.v. Khi thu nhận hình ảnh, độ phân giải của camera có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh. Khi chụp cùng một trường nhìn lớn (phạm vi cảnh), độ phân giải càng cao, chi tiết hiển thị càng rõ ràng.
Tốc độ khung hình/tần số dòng của camera cho biết tần số mà camera thu nhận hình ảnh. Thông thường, camera mảng diện tích được biểu thị bằng tốc độ khung hình, và đơn vị là fps (Frame Per second). Ví dụ, 30fps có nghĩa là camera có thể thu nhận tối đa 30 khung hình ảnh trong 1 giây. Camera mảng tuyến tính thường sử dụng tần số dòng với đơn vị KHz. Ví dụ, 12KHz có nghĩa là camera có thể thu nhận tối đa 12.000 dòng dữ liệu hình ảnh trong 1 giây. Tốc độ là một thông số quan trọng của camera. Trong các ứng dụng thực tế, thường cần chụp ảnh các vật thể chuyển động. Tốc độ của camera cần đáp ứng các yêu cầu nhất định để chụp ảnh rõ nét và chính xác. Tốc độ khung hình và tốc độ dòng của camera trước tiên bị ảnh hưởng bởi tốc độ khung hình và tốc độ dòng của chip. Tốc độ thiết kế tối đa của chip chủ yếu được xác định bởi xung nhịp cao nhất mà chip có thể chịu được.
Nhiễu của camera công nghiệp đề cập đến các tín hiệu không mong muốn được thu nhận trong quá trình tạo ảnh và nằm ngoài mục tiêu tạo ảnh thực tế. Theo tiêu chuẩn kiểm tra camera Châu Âu EMVA1288, nhiễu trong camera có thể được chia thành hai loại: một là nhiễu dao động thống kê gây ra bởi tín hiệu hiệu dụng tuân theo phân phối Poisson, còn gọi là nhiễu shot. Loại nhiễu này giống nhau đối với mọi camera, không thể tránh khỏi và có công thức tính toán nhất định. (Tức là: bình phương của nhiễu = giá trị trung bình của tín hiệu). Loại thứ hai là nhiễu độc lập với tín hiệu cố hữu của chính camera. Đó là nhiễu gây ra bởi mạch đọc cảm biến hình ảnh, mạch xử lý và khuếch đại tín hiệu camera, v.v. Nhiễu cố hữu của mỗi camera là khác nhau. Ngoài ra, đối với camera kỹ thuật số, nhiễu lượng tử hóa sẽ được tạo ra khi chuyển đổi tín hiệu video tương tự. Số bit lượng tử hóa càng cao thì nhiễu càng thấp.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của camera được định nghĩa là tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu trong hình ảnh (tỷ lệ giữa giá trị xám trung bình của tín hiệu hiệu dụng và giá trị trung bình bình phương gốc của nhiễu), nó thể hiện chất lượng của hình ảnh. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hình ảnh càng cao thì chất lượng hình ảnh càng tốt.
Dải tương phản động của camera cho biết phạm vi mà camera phát hiện tín hiệu ánh sáng. Dải tương phản động có thể được định nghĩa theo hai cách. Một là dải tương phản động quang học, đề cập đến tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng tối đa tại điểm bão hòa và cường độ ánh sáng tương đương với đầu ra nhiễu, được xác định bởi đặc tính của chip. Hai là dải tương phản động điện tử, đề cập đến tỷ lệ giữa điện áp bão hòa và điện áp nhiễu. Đối với một camera cố định, dải tương phản động của nó là một giá trị cố định và không thay đổi theo điều kiện bên ngoài. Về mặt đáp ứng tuyến tính, dải tương phản động của camera được định nghĩa là tỷ lệ giữa phơi sáng bão hòa và phơi sáng tương đương nhiễu: dải tương phản động = dung lượng đầy đủ của phần tử cảm quang/tín hiệu nhiễu tương đương. Dải tương phản động có thể được biểu thị bằng bội số, dB hoặc Bit. Với dải tương phản động lớn, camera có khả năng thích ứng mạnh mẽ hơn với các cường độ ánh sáng khác nhau.
Tín hiệu kỹ thuật số được xuất ra bởi camera kỹ thuật số, tức là giá trị xám pixel, có một số bit đặc biệt, được gọi là độ sâu pixel. Đối với camera đen trắng, phạm vi giá trị thường là 8-16bit. Độ sâu pixel xác định số lượng cấp độ xám từ tối đến sáng. Ví dụ, đối với camera 8 bit, 0 biểu thị tối hoàn toàn và 255 biểu thị sáng hoàn toàn. Các số từ 0 đến 5 biểu thị các chỉ số độ sáng nhất định. Dữ liệu 10 bit có 1024 cấp độ xám và dữ liệu 12 bit có 4096 cấp độ xám. Đối với mỗi ứng dụng, chúng ta cần xem xét cẩn thận liệu có cần các cấp độ xám rất mịn hay không. Nâng cấp từ 8 bit lên 10 bit hoặc 12 bit thực sự có thể tăng cường độ chính xác đo lường, nhưng nó cũng làm giảm tốc độ của hệ thống và tăng độ khó tích hợp hệ thống (tăng cáp và kích thước lớn hơn), vì vậy chúng ta phải lựa chọn cẩn thận.
Giao diện đề cập đến giao diện giữa camera và ống kính. Các giao diện ống kính phổ biến bao gồm C-mount, CS-mount và F-mount.
Ví dụ về việc lựa chọn camera mảng tuyến tính dựa trên kết quả tính toán trên như sau:
Ví dụ, nếu chiều rộng là 1600 mm, độ chính xác là 1 mm và tốc độ di chuyển là 22000mm/s, camera: 1600/1=1600 pixel ít nhất là 2000 pixel, và camera được chọn là 2k. 1600/2048=0,8. Độ chính xác thực tế là 22000mm/0,8mm=27,5KHz. Camera nên được chọn là camera 2048 pixel 28kHz.
Camera công nghiệp thông minh không phải là một camera đơn giản, mà là một hệ thống thị giác máy vi mô được tích hợp cao. Nó tích hợp các chức năng thu nhận, xử lý và truyền thông hình ảnh vào một camera duy nhất, do đó cung cấp một giải pháp thị giác máy đa chức năng, mô-đun, độ tin cậy cao và dễ triển khai. Camera công nghiệp thông minh thường bao gồm các đơn vị thu nhận hình ảnh, đơn vị xử lý hình ảnh, phần mềm xử lý hình ảnh, thiết bị truyền thông mạng, v.v. Do ứng dụng của DSP, FPGA mới nhất và công nghệ lưu trữ dung lượng lớn, mức độ thông minh của nó tiếp tục tăng và có thể đáp ứng nhiều nhu cầu ứng dụng thị giác máy.
Hai loại chip cảm quang chính được sử dụng trong thị giác máy là chip CCD và chip CMOS. CCD là viết tắt của ChargeCoupled Device và CMOS là Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T
