Industriële camera's zijn belangrijke componenten in machine vision-systemen. Hun fundamentele functie is het omzetten van lichtsignalen in georganiseerde elektrische signalen, waardoor de verwerving van digitale beelden mogelijk wordt. Ze worden veel gebruikt in industriële productie, inspectie, metingen en andere gebieden. Hun beeldprincipe lijkt op pinhole-beeldvorming, maar is complexer. Licht dat door het onderwerp wordt gereflecteerd, gaat door de industriële lens, waar het wordt gebroken en geprojecteerd op de lichtgevoelige sensor van de camera. Deze sensor is doorgaans een lading-gekoppeld apparaat (CCD) of een complementaire metaal-oxide-halfgeleidersensor (CMOS).
1. Werkingsprincipe
Beeldacquisitie:Licht dat door het onderwerp wordt gereflecteerd of doorgelaten, wordt door de lens opgevangen en op de beeldsensor scherpgesteld.
Foto-elektrische conversie:De beeldsensor (gewoonlijk CCD of CMOS) zet lichtsignalen om in elektrische signalen. Als we een CMOS-sensor als voorbeeld nemen, bevat elke pixel een fotodiode die bij verlichting een lading genereert die evenredig is aan de lichtintensiteit, en die vervolgens wordt omgezet in een spanningssignaal.
Signaalverwerking:De versterkte elektrische signalen gaan door een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) om analoge signalen om te zetten in digitale signalen. Deze digitale signalen worden verwerkt om digitale beeldgegevens te vormen, die naar computers of andere apparaten worden verzonden voor daaropvolgende analyse.
2. Belangrijkste kenmerken van industriële camera's
Hoge betrouwbaarheid:Industriële camera's zijn ontworpen voor langdurig continu gebruik en garanderen stabiele prestaties in zware omgevingen zoals hoge temperaturen, hoge luchtvochtigheid en trillingen.
Hoge prestaties:Levert hoge resolutie, hoge framesnelheden, groot dynamisch bereik en hoge gevoeligheid om te voldoen aan de eisen voor nauwkeurige inspectie en snelle opname-.
Modulair ontwerp:Maakt doorgaans gebruik van een modulaire architectuur voor naadloze integratie in diverse industriële apparatuur en systemen.
Veelzijdige interfaces:Ondersteunt meerdere interfacetypes (bijv. GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) om tegemoet te komen aan verschillende bandbreedte- en afstandsvereisten.
Flexibele configuratie:Ondersteunt meerdere triggermodi, belichtingsregeling en beeldverwerkingsfuncties om zich aan te passen aan diverse toepassingsscenario's.
3. Classificatiemethoden
Per type beeldsensor:
CCD-camera's:Bieden een hoge beeldkwaliteit en weinig ruis, blinken uit bij weinig- lichtomstandigheden, maar hebben hogere kosten en een hoger energieverbruik. CMOS-camera's zijn kosten-effectief, hebben een laag-vermogen en kunnen gegevens snel uitlezen, hoewel de beeldkwaliteit iets minder is.
Op uitvoerkleur:Geclassificeerd als kleurencamera's en monochrome (zwart{0}}en-wit) camera's. Kleurencamera's leggen rijke kleurinformatie van objecten vast, geschikt voor toepassingen die kleurnauwkeurigheid vereisen, zoals inspectie van het uiterlijk van voedsel en kleurverificatie van gedrukt materiaal; Monochrome camera's vertonen een grotere lichtgevoeligheid en blinken uit in het detecteren van grijswaardenvariaties en textuurdetails in objecten. Ze worden vaak gebruikt in scenario's die hoge precisie vereisen, zoals dimensionale metingen en defectdetectie.
Door scanmethode:
Areascancamera's leggen in één keer een volledig frame van een beeld vast, geschikt voor het detecteren van statische objecten of objecten die met lage snelheid bewegen. Lijn-scancamera's leggen één regel van een afbeelding tegelijk vast en construeren het volledige beeld door middel van relatieve beweging tussen het object en de camera. Ze worden vaak gebruikt voor het detecteren van bewegende objecten met hoge-snelheid en een-dimensionale metingen met hoge-precisie, zoals in-line-inspectie van gedrukt materiaal en oppervlakte-inspectie van metalen platen.
Per uitgangssignaaltype:analoge camera's en digitale camera's.
Per responsfrequentiebereik:zichtbaar licht (standaard) camera's, infraroodcamera's, ultraviolet camera's, etc.
4. Berekeningen van belangrijke parameters
(1) Resolutie
Definitie:Het aantal pixels dat per beeldframe wordt vastgelegd, bepaald door de resolutie van de beeldsensor van de camera. Dit vertegenwoordigt het aantal pixels dat op het doelvlak van de sensor is gerangschikt.
Invloed:Tijdens het vastleggen van beelden heeft de cameraresolutie een aanzienlijke invloed op de beeldkwaliteit. Bij het afbeelden van hetzelfde gezichtsveld (scènebereik) levert een hogere resolutie een meer uitgesproken detailweergave op.
Vertegenwoordiging:Voor area{0}}scancamera's wordt de resolutie doorgaans uitgedrukt in twee getallen: horizontale (H) en verticale (V) resolutie, bijvoorbeeld 1920(H) x 1080(V). Het eerste getal geeft het aantal pixels per rij aan, terwijl het tweede getal het aantal rijen pixels aangeeft. Voor lijn-scancamera's wordt de resolutie gewoonlijk uitgedrukt in duizenden (K), zoals 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096), enz.
Totaal aantal pixels=Horizontale pixels × Verticale pixels
Voorbeeld:1920×1080=2.073.600 pixels (ongeveer 2 miljoen pixels)
(2) Pixeldiepte
Definitie:Het aantal bits per pixel, meestal uitgedrukt in bits.
Invloed:Pixeldiepte bepaalt de rijkdom van de grijstinten van een afbeelding. Meer bits verbeteren de mogelijkheid om beelddetails uit te drukken, wat resulteert in rijkere en fijnere grijswaarden. Dit verhoogt echter ook het datavolume, wat mogelijk de beeldverwerkingssnelheid van het systeem beïnvloedt.
Gemeenschappelijke waarden:8-bit wordt het meest gebruikt. Digitale camera's kunnen ook 10-bits, 12-bits of 14-bits configuraties hebben.
(3) Maximale framesnelheid/lijnsnelheid
Definitie:De snelheid waarmee een camera beelden vastlegt en verzendt.
Vertegenwoordiging:De framesnelheid is doorgaans van toepassing op industriële camera's met gebied{0}}scan, gemeten in fps (frames per seconde). 181 fps geeft bijvoorbeeld aan dat de camera maximaal 181 frames per seconde kan vastleggen. De lijnsnelheid is van toepassing op industriële lijn-scancamera's, gemeten in kHz. 80 kHz geeft bijvoorbeeld aan dat de camera maximaal 80.000 lijnen aan beeldgegevens per seconde kan vastleggen.
Invloed:Hogere framesnelheden/lijnfrequenties zorgen ervoor dat camera's meer beelden per tijdseenheid kunnen vastleggen, waardoor ze geschikt zijn voor scenario's waarbij snelle bewegingsregistratie vereist is.
Berekeningsmethode:Framesnelheid=3 × doelsnelheid / horizontaal gezichtsveld; Lijnfrequentie=Bewegingssnelheid / werkelijke nauwkeurigheid=Bewegingssnelheid × resolutie / gezichtsveld.
Bepaal de vereiste framesnelheid op basis van de bewegingssnelheid van het object in het toepassingsscenario. Uitgaande van de objectsnelheid V (eenheid: mm/s) en de camerabelichtingstijd T (eenheid: s), waarbij de verplaatsing van het object tijdens de belichting niet groter mag zijn dan één pixelgrootte P (eenheid: mm), kan de framesnelheid F gelijk zijn aanberekend als:F=1/T, waarbij T kleiner dan of gelijk is aan P/V.
(4) Belichtingsmethode en sluitertijd
Belichtingsmodus:Voor lijn-scancamera's is progressieve scanbelichting gebruikelijk. Gebieds-scancamera's maken gewoonlijk gebruik van framebelichting, veldbelichting of rolluikbelichting.
Sluitertijd:Meestal haalbaar tot 10 microseconden, met hoge-snelheidscamera's die nog hogere snelheden kunnen bereiken. Snellere sluitertijden verbeteren het vermogen van de camera om beelden vast te leggen, waardoor ze geschikt zijn voor scenario's met snel veranderende lichtomstandigheden of bewegende onderwerpen.
(5) Pixelgrootte (Pixelgrootte)
Definitie:Een pixel is de kleinste eenheid waaruit een digitaal beeld bestaat. Pixelgrootte en pixelaantal (resolutie) bepalen samen de grootte van het doelgebied van de camera.
Gemeenschappelijke waarden:De pixelgroottes van industriële camera's variëren doorgaans van 3 μm tot 14 μm.
Invloed:Grotere pixels vangen meer fotonen op en genereren een grotere lading onder identieke licht- en belichtingsomstandigheden, wat mogelijk een hogere beeldkwaliteit oplevert. Kleinere pixelgroottes verhogen echter de complexiteit van de productie.
Berekening:Afhankelijk van de resolutie en de afmetingen van de camerasensor. Gegeven een sensorgrootte van Sa × Sb (horizontale × verticale afmetingen in mm) en een cameraresolutie van Na × Nb, is de pixelgrootte P (uitgaande van vierkante pixels) bijvoorbeeld: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Spectraal bereik
Definitie:Verwijst naar de gevoeligheidskarakteristieken van de pixelsensor voor verschillende golflengten van licht.
Gemeenschappelijk bereik:Reageert doorgaans tussen 350 nm en 1000 nm. Sommige camera's hebben een filter vóór de sensor om infrarood licht te blokkeren. Als infraroodgevoeligheid voor het systeem vereist is, kan dit filter worden verwijderd.
(7) Interfacetype
Veel voorkomende typen:Camera Link, Ethernet, 1394, USB-uitgang, etc. De nieuwste interface is CoaXPress.
Invloed:Het interfacetype bepaalt hoe gegevens worden overgedragen tussen de camera en beeldverwerkingssystemen of andere apparaten. Het selecteren van de juiste interface zorgt voor een stabiele en snelle gegevensoverdracht.
(8) Sensorgrootte
Definitie:De fysieke afmetingen van de camerasensor, meestal uitgedrukt in inches (bijvoorbeeld 1/2,3") of millimeters (bijvoorbeeld 12,8 mm x 9,6 mm).
Berekeningsmethode:
De sensorgrootte wordt meestal door de fabrikant verstrekt, maar kan worden geschat op basis van pixelafmetingen en resolutie:
Sensorbreedte=Aantal horizontale pixels × Pixelgrootte
Sensorhoogte=Aantal verticale pixels × Pixelgrootte
(9) Andere parameters
Dynamisch bereik:Beschrijft het aantal grijsniveaus dat elke pixel kan onderscheiden. Dankzij het grote dynamische bereik zijn details in zowel heldere als donkere delen van een scène duidelijk vastgelegd.
Lawaai:Ongewenste signalen die tijdens beeldvorming worden vastgelegd en die geen verband houden met het eigenlijke beelddoel. Volgens de EMVA1288-standaard van de European Machine Vision Association (EMVA) wordt cameraruis grofweg in twee typen onderverdeeld: opnameruis afgeleid van het effectieve signaal en inherente ruis die inherent is aan de camera zelf, onafhankelijk van het signaal.
5. Toepassingsgebieden en voordelen
Industriële camera's worden veel gebruikt bij kwaliteitscontrole op geautomatiseerde productielijnen, machine vision-systemen, medische beeldvorming, logistiek en opslag, veiligheidstoezicht, verkeersmonitoring, maar ook bij militaire en luchtvaarttoepassingen. Hun voordelen zijn onder meer:
Hoge prestaties en stabiliteit:Industriële camera's bieden een hoge beeldstabiliteit, robuuste transmissiemogelijkheden en een sterke interferentieweerstand, waardoor langdurige stabiele werking onder zware omstandigheden mogelijk is.
Hoge precisie en meetmogelijkheden:Door middel van beeldopname met hoge-resolutie en nauwkeurige algoritmen voor beeldanalyse bereiken industriële camera's een hoge-nauwkeurige meting en positionering.
Hoge-opnamemogelijkheden:Industriële camera's met hoge-frame-snelheid leggen snel dynamische beelden vast, waardoor ze geschikt zijn voor het fotograferen en monitoren van snel-bewegende objecten.
Breed aanpassingsvermogen:Diverse industriële cameratypen komen tegemoet aan uiteenlopende toepassingsscenario's en vereisten en vervullen complexe beeld- en analysetaken.
6. Gerenommeerde merken
Toonaangevende mondiale industriële cameramerken zijn onder meer Cognex, Keyence, het Canadese Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, het Japanse AVALDATA, het Zuid-Koreaanse VIEWORKS, Daheng Imaging en Hikvision. Deze merken staan hoog aangeschreven vanwege hun uitzonderlijke prestaties en brede toepassingsdomeinen.
Samenvattend dienen industriële camera's als kritische componenten binnen machine vision-systemen en spelen ze een cruciale rol in industriële automatisering en intelligente productie. Door de juiste industriële camera's te selecteren en geavanceerde algoritmen voor beeldanalyse te integreren, kan een efficiëntere, preciezere en betrouwbaardere geautomatiseerde productie en kwaliteitscontrole worden bereikt.