Kamery przemysłowe są kluczowymi elementami systemów wizyjnych maszyn. Ich podstawową funkcją jest przekształcanie sygnałów świetlnych w zorganizowane sygnały elektryczne, umożliwiając w ten sposób pozyskiwanie obrazów cyfrowych. Są szeroko stosowane w produkcji przemysłowej, kontroli, pomiarach i innych dziedzinach. Zasada ich obrazowania przypomina obrazowanie otworkowe, ale jest bardziej złożona. Światło odbite od obiektu przechodzi przez soczewkę przemysłową, gdzie jest załamywane i rzutowane na światłoczuły czujnik aparatu. Ten czujnik jest zazwyczaj czujnikiem-ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) lub czujnikiem półprzewodnikowym-tlenku-metalu (CMOS).
1. Zasada działania
Pozyskiwanie obrazu:Światło odbite lub transmitowane przez obiekt jest zbierane przez obiektyw i skupiane na czujniku obrazu.
Konwersja fotoelektryczna:Przetwornik obrazu (zwykle CCD lub CMOS) przetwarza sygnały świetlne na sygnały elektryczne. Biorąc za przykład czujnik CMOS, każdy piksel zawiera fotodiodę, która po oświetleniu generuje ładunek proporcjonalny do natężenia światła, który następnie jest przekształcany na sygnał napięciowy.
Przetwarzanie sygnału:Wzmocnione sygnały elektryczne przechodzą przez przetwornik analogowy-na-cyfrowy (ADC) w celu przekształcenia sygnałów analogowych w sygnały cyfrowe. Te sygnały cyfrowe są przetwarzane w celu utworzenia cyfrowych danych obrazu, przesyłanych do komputerów lub innych urządzeń w celu późniejszej analizy.
2. Kluczowe cechy kamer przemysłowych
Wysoka niezawodność:Kamery przemysłowe są przeznaczone do długotrwałej, ciągłej pracy, zapewniając stabilną pracę w trudnych warunkach, takich jak wysokie temperatury, wysoka wilgotność i wibracje.
Wysoka wydajność:Zapewnia wysoką rozdzielczość, dużą liczbę klatek na sekundę, szeroki zakres dynamiki i wysoką czułość, aby sprostać wymaganiom precyzyjnej kontroli i-szybkiego przechwytywania.
Konstrukcja modułowa:Zwykle wykorzystuje architekturę modułową zapewniającą bezproblemową integrację z różnorodnymi urządzeniami i systemami przemysłowymi.
Wszechstronne interfejsy:Obsługuje wiele typów interfejsów (np. GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress), aby dostosować się do różnych wymagań dotyczących przepustowości i odległości.
Elastyczna konfiguracja:Obsługuje wiele trybów wyzwalania, kontrolę ekspozycji i funkcje przetwarzania obrazu, aby dostosować się do różnych scenariuszy zastosowań.
3. Metody klasyfikacji
Według typu czujnika obrazu:
Kamery CCD:Oferują wysoką jakość obrazu i niski poziom szumów, doskonale sprawdzając się-w warunkach słabego oświetlenia, ale charakteryzują się wyższymi kosztami i zużyciem energii. Kamery CMOS są-opłacalne, mają-pobór mocy i umożliwiają szybki odczyt danych, choć jakość obrazu jest nieco gorsza.
Według koloru wyjściowego:Dzielą się na kamery kolorowe i kamery monochromatyczne (czarne-i-białe). Kamery kolorowe rejestrują bogate informacje o kolorach obiektów, odpowiednie do zastosowań wymagających dokładności kolorów, takich jak kontrola wyglądu żywności i weryfikacja koloru materiałów drukowanych; Kamery monochromatyczne charakteryzują się większą czułością na światło i doskonale wykrywają różnice w skali szarości oraz szczegóły tekstur obiektów. Są powszechnie stosowane w scenariuszach wymagających dużej precyzji, takich jak pomiar wymiarowy i wykrywanie defektów.
Według metody skanowania:
Kamery skanujące obszar rejestrują jednocześnie całą klatkę obrazu, co jest odpowiednie do wykrywania obiektów statycznych lub poruszających się z małą prędkością. Kamery ze skanowaniem-liniowym rejestrują pojedynczo jedną linię obrazu, tworząc pełny obraz poprzez względny ruch obiektu i kamery. Są powszechnie używane do wykrywania-poruszających się obiektów z dużą prędkością i-dokładnych-pomiarów jednowymiarowych, takich jak-inspekcja materiałów drukowanych na linii i kontrola powierzchni blach.
Według typu sygnału wyjściowego:aparaty analogowe i aparaty cyfrowe.
Według zakresu częstotliwości odpowiedzi:kamery światła widzialnego (standardowe), kamery na podczerwień, kamery ultrafioletowe itp.
4. Obliczenia kluczowych parametrów
(1) Uchwała
Definicja:Liczba pikseli przechwytywanych na klatkę obrazu, określona na podstawie rozdzielczości czujnika obrazu aparatu. Reprezentuje liczbę pikseli rozmieszczonych na płaszczyźnie docelowej czujnika.
Uderzenie:Podczas przechwytywania obrazu rozdzielczość kamery znacząco wpływa na jakość obrazu. W przypadku obrazowania tego samego pola widzenia (zakresu sceny) wyższa rozdzielczość zapewnia wyraźniejsze odwzorowanie szczegółów.
Reprezentacja:W przypadku kamer-ze skanowaniem obszarowym rozdzielczość jest zwykle wyrażana jako dwie liczby: rozdzielczość pozioma (H) i pionowa (V), np. 1920(H) x 1080(V). Pierwsza liczba wskazuje liczbę pikseli w rzędzie, natomiast druga liczba wskazuje liczbę rzędów pikseli. W przypadku kamer-liniowych rozdzielczość jest zwykle wyrażana w tysiącach (K), np. 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) itd.
Całkowita liczba pikseli=Piksele poziome × Piksele pionowe
Przykład:1920×1080=2073 600 pikseli (około 2 miliony pikseli)
(2) Głębia pikseli
Definicja:Liczba bitów na piksel, zwykle wyrażana w bitach.
Uderzenie:Głębia pikseli określa bogactwo skali szarości obrazu. Więcej bitów zwiększa możliwość wyrażania szczegółów obrazu, co skutkuje bogatszymi i dokładniejszymi wartościami skali szarości. Jednak zwiększa to również ilość danych, potencjalnie wpływając na szybkość przetwarzania obrazu w systemie.
Wspólne wartości:Najczęściej używany jest format 8-bitowy. Aparaty cyfrowe mogą również mieć konfiguracje 10-bitowe, 12-bitowe lub 14-bitowe.
(3) Maksymalna liczba klatek na sekundę/liczba linii
Definicja:Szybkość, z jaką kamera rejestruje i przesyła obrazy.
Reprezentacja:Liczba klatek na sekundę zazwyczaj dotyczy kamer przemysłowych-ze skanowaniem obszarowym i jest mierzona w fps (klatek na sekundę), np. 181 klatek na sekundę oznacza, że kamera może przechwytywać do 181 klatek na sekundę. Szybkość linii dotyczy-kamer przemysłowych ze skanowaniem liniowym i jest mierzona w kHz, np. 80 kHz oznacza, że kamera może przechwycić do 80 000 linii danych obrazu na sekundę.
Uderzenie:Wyższe szybkości klatek/częstotliwości linii umożliwiają kamerom przechwytywanie większej liczby obrazów w jednostce czasu, dzięki czemu nadają się do scenariuszy wymagających szybkiego przechwytywania ruchu.
Metoda obliczeniowa:Liczba klatek na sekundę=3 × docelowa prędkość / poziome pole widzenia; Częstotliwość linii=Prędkość ruchu / Rzeczywista dokładność=Prędkość ruchu × rozdzielczość / Pole widzenia.
Określ wymaganą liczbę klatek na sekundę na podstawie prędkości ruchu obiektu w scenariuszu aplikacji. Zakładając prędkość obiektu V (jednostka: mm/s) i czas ekspozycji kamery T (jednostka: s), gdzie przemieszczenie obiektu podczas naświetlania nie może przekraczać rozmiaru jednego piksela P (jednostka: mm), częstotliwość klatek F może wynosićobliczone jako:F=1/T, gdzie T Mniejsze lub równe P/V.
(4) Metoda ekspozycji i czas otwarcia migawki
Tryb ekspozycji:W przypadku kamer-liniowych typowa jest ekspozycja ze skanowaniem progresywnym. Kamery-ze skanowaniem obszarowym zwykle wykorzystują ekspozycję ramkową, ekspozycję polową lub ekspozycję typu „rolling migawki”.
Szybkość migawki:Zwykle osiągalny w czasie do 10 mikrosekund,-w przypadku szybkich kamer, które mogą pracować z jeszcze większą szybkością. Krótsze czasy otwarcia migawki zwiększają zdolność aparatu do robienia zdjęć, dzięki czemu nadają się one do fotografowania szybko zmieniających się warunków oświetleniowych lub poruszających się obiektów.
(5) Rozmiar piksela (rozmiar piksela)
Definicja:Piksel to najmniejsza jednostka składająca się na obraz cyfrowy. Rozmiar i liczba pikseli (rozdzielczość) wspólnie określają rozmiar obszaru docelowego kamery.
Wspólne wartości:Rozmiary pikseli kamer przemysłowych zwykle wahają się od 3 μm do 14 μm.
Uderzenie:Większe piksele wychwytują więcej fotonów, generując większy ładunek w identycznych warunkach oświetlenia i ekspozycji, co potencjalnie zapewnia wyższą jakość obrazu. Jednak mniejsze rozmiary pikseli zwiększają złożoność produkcji.
Obliczenie:Zależy od rozdzielczości i wymiarów czujnika aparatu. Na przykład, biorąc pod uwagę rozmiar czujnika Sa × Sb (wymiary poziome × pionowe w mm) i rozdzielczość kamery Na × Nb, rozmiar piksela P (zakładając piksele kwadratowe) wynosi: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Zakres widmowy
Definicja:Odnosi się do charakterystyki czułości czujnika pikselowego na różne długości fal światła.
Wspólny zakres:Zwykle odpowiada w zakresie od 350 nm do 1000 nm. Niektóre kamery zawierają filtr przed czujnikiem, który blokuje światło podczerwone. Jeśli system wymaga czułości na podczerwień, filtr ten można usunąć.
(7) Typ interfejsu
Typowe typy:Camera Link, Ethernet, 1394, wyjście USB itp. Najnowszym interfejsem jest CoaXPress.
Uderzenie:Typ interfejsu określa sposób przesyłania danych pomiędzy aparatem a systemami przetwarzania obrazu lub innymi urządzeniami. Wybór odpowiedniego interfejsu zapewnia stabilną i szybką transmisję danych.
(8) Rozmiar czujnika
Definicja:Fizyczne wymiary czujnika aparatu, zwykle wyrażane w calach (np. 1/2,3 cala) lub milimetrach (np. 12,8 mm × 9,6 mm).
Metoda obliczeniowa:
Rozmiar czujnika jest zwykle podawany przez producenta, ale można go oszacować na podstawie wymiarów w pikselach i rozdzielczości:
Szerokość czujnika=Liczba pikseli w poziomie × rozmiar piksela
Wysokość czujnika=pionowa liczba pikseli × rozmiar piksela
(9) Inne parametry
Zakres dynamiczny:Opisuje liczbę poziomów szarości, jakie może rozróżnić każdy piksel. Szeroki zakres dynamiki umożliwia wyraźne uchwycenie szczegółów zarówno w jasnych, jak i ciemnych obszarach sceny.
Hałas:Niepożądane sygnały przechwycone podczas obrazowania, które nie są powiązane z rzeczywistym celem obrazowania. Zgodnie ze standardem EMVA1288 Europejskiego Stowarzyszenia Wizji Maszynowej (EMVA) szum kamery można ogólnie podzielić na dwa typy: szum zdjęcia pochodzący z sygnału skutecznego i szum nieodłącznie związany z samą kamerą, niezależny od sygnału.
5. Obszary zastosowania i zalety
Kamery przemysłowe znajdują szerokie zastosowanie w kontroli jakości na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, systemach wizyjnych, obrazowaniu medycznym, logistyce i magazynowaniu, nadzorze bezpieczeństwa, monitorowaniu ruchu, a także w zastosowaniach wojskowych i lotniczych. Ich zalety obejmują:
Wysoka wydajność i stabilność:Kamery przemysłowe oferują wysoką stabilność obrazu, solidne możliwości transmisji i dużą odporność na zakłócenia, umożliwiając długotrwałą stabilną pracę w trudnych warunkach.
Wysoka precyzja i możliwości pomiarowe:Dzięki-przechwytywaniu obrazu w wysokiej rozdzielczości i precyzyjnym algorytmom analizy obrazu kamery przemysłowe osiągają-wysoką dokładność pomiaru i pozycjonowania.
Możliwość-szybkiego przechwytywania:Kamery przemysłowe o dużej-klatce-szybko rejestrują dynamiczne obrazy, dzięki czemu nadają się do fotografowania i monitorowania szybko-ruchomych obiektów.
Szerokie możliwości adaptacji:Różnorodne typy kamer przemysłowych odpowiadają różnym scenariuszom zastosowań i wymaganiom, spełniając złożone zadania obrazowania i analizy.
6. Renomowane marki
Wiodące światowe marki kamer przemysłowych to Cognex, Keyence, kanadyjska Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, japońska AVALDATA, południowokoreańska VIEWORKS, Daheng Imaging i Hikvision. Marki te są wysoko cenione za wyjątkową wydajność i szerokie dziedziny zastosowań.
Podsumowując, kamery przemysłowe pełnią rolę kluczowych elementów systemów wizyjnych maszyn, odgrywając kluczową rolę w automatyce przemysłowej i inteligentnej produkcji. Wybierając odpowiednie kamery przemysłowe i integrując zaawansowane algorytmy analizy obrazu, można osiągnąć bardziej wydajną, precyzyjną i niezawodną zautomatyzowaną produkcję i kontrolę jakości.