Tööstuslikud kaamerad on masinnägemissüsteemide põhikomponendid. Nende põhiülesanne on muundada valgussignaalid organiseeritud elektrilisteks signaalideks, võimaldades seeläbi saada digitaalseid kujutisi. Neid kasutatakse laialdaselt tööstuslikus tootmises, kontrollimisel, mõõtmisel ja muudes valdkondades. Nende pildistamise põhimõte sarnaneb aukude kujutisega, kuid on keerulisem. Objektilt peegeldunud valgus läbib tööstusliku objektiivi, kus see murdub ja projitseeritakse kaamera valgustundlikule sensorile. See andur on tavaliselt laenguga{5}}ühendatud seade (CCD) või komplementaarne metall{6}}oksiid-pooljuht (CMOS) andur.
1. Tööpõhimõte
Pildi omandamine:Objektilt peegeldunud või ülekantud valgus kogutakse läbi objektiivi ja teravustatakse pildisensorile.
Fotoelektriline teisendus:Pildisensor (tavaliselt CCD või CMOS) teisendab valgussignaalid elektrilisteks signaalideks. Võttes näiteks CMOS-anduri, sisaldab iga piksel fotodioodi, mis tekitab valgustuse korral valguse intensiivsusega võrdelise laengu, mis seejärel muundatakse pingesignaaliks.
Signaali töötlemine:Võimendatud elektrilised signaalid läbivad analoog-to-digitaalmuundurit (ADC), et teisendada analoogsignaalid digitaalsignaalideks. Neid digitaalseid signaale töödeldakse digitaalsete kujutiste andmete moodustamiseks, mis edastatakse arvutitesse või muudesse seadmetesse järgnevaks analüüsiks.
2. Tööstuskaamerate põhiomadused
Kõrge töökindlus:Tööstuslikud kaamerad on mõeldud pikaajaliseks pidevaks tööks, tagades stabiilse jõudluse karmides keskkondades, nagu kõrge temperatuur, kõrge õhuniiskus ja vibratsioon.
Kõrge jõudlus:Pakub kõrget eraldusvõimet, kõrgeid kaadrisagedusi, laia dünaamilist ulatust ja suurt tundlikkust, et täita täpsuse kontrolli ja suure{0}}kiirusega jäädvustamise nõudeid.
Modulaarne disain:Tavaliselt kasutab moodularhitektuur sujuvaks integreerimiseks erinevatesse tööstusseadmetesse ja süsteemidesse.
Mitmekülgsed liidesed:Toetab mitut liidese tüüpi (nt GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress), et rahuldada erinevaid ribalaiuse ja kauguse nõudeid.
Paindlik konfiguratsioon:Toetab mitut päästikurežiimi, särituse juhtimist ja pilditöötlusfunktsioone, et kohaneda erinevate rakenduste stsenaariumidega.
3. Klassifitseerimismeetodid
Pildisensori tüübi järgi:
CCD kaamerad:Pakkuge kõrget pildikvaliteeti ja madalat mürataset, mis on suurepärased madalas{0}}valguses, kuid suuremad kulud ja energiatarve. CMOS-kaamerad on kulutõhusad-, vähese võimsusega- ja neil on kiire andmelugemine, kuigi pildikvaliteet on pisut halvem.
Väljundi värvi järgi:Klassifitseeritakse värvikaamerateks ja ühevärvilisteks (must{0}}ja-valgeteks) kaamerateks. Värvikaamerad jäädvustavad rikkalikku värviteavet objektide kohta, mis sobivad värvitäpsust nõudvate rakenduste jaoks, nagu toidu välimuse kontrollimine ja trükitud materjali värvide kontrollimine; Mustvalgetel kaameratel on suurem valgustundlikkus ja nad tuvastavad suurepäraselt halltoonide variatsioone ja objektide tekstuuri detaile. Neid kasutatakse tavaliselt stsenaariumides, mis nõuavad suurt täpsust, nagu mõõtmete mõõtmine ja defektide tuvastamine.
Skaneerimismeetodi järgi:
Piirkonna skaneerimise kaamerad jäädvustavad korraga terve kaadri pildist, mis sobib staatiliste või aeglasel kiirusel liikuvate objektide tuvastamiseks. Joon-skannivad kaamerad jäädvustavad pildi ühe rea korraga, konstrueerides kogu pildi objekti ja kaamera vahelise suhtelise liikumise kaudu. Neid kasutatakse tavaliselt kiiresti liikuvate objektide tuvastamiseks-ja suure täpsusega-ühemõõtmeliste{5}mõõtmiste tuvastamiseks, näiteks prinditud materjalide kontrollimiseks ja metallilehtede pinnakontrolliks.
Väljundsignaali tüübi järgi:analoogkaamerad ja digikaamerad.
Reaktsioonisageduse vahemiku järgi:nähtava valgusega (standard)kaamerad, infrapunakaamerad, ultraviolettkaamerad jne.
4. Võtmeparameetrite arvutused
(1) Resolutsioon
Definitsioon:Ühe pildikaadri kohta jäädvustatud pikslite arv, mille määrab kaamera pildisensori eraldusvõime. See tähistab anduri sihttasapinnale paigutatud pikslite hulka.
Mõju:Pildistamise ajal mõjutab kaamera eraldusvõime oluliselt pildikvaliteeti. Sama vaatevälja (stseenivahemiku) pildistamisel annab kõrgem eraldusvõime eredama detailide esituse.
Esindus:Pindala{0}}skaneerimise kaamerate puhul väljendatakse eraldusvõimet tavaliselt kahe numbrina: horisontaalne (H) ja vertikaalne (V) eraldusvõime, nt 1920 (K) x 1080 (V). Esimene number näitab pikslite arvu rea kohta, teine arv aga pikslite ridade arvu. Liin-skaneerimise kaamerate puhul tähistatakse eraldusvõimet tavaliselt tuhandetes (K), näiteks 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) jne.
Piksleid kokku=Horisontaalsed pikslid × vertikaalsed pikslid
Näide:1920 × 1080=2, 073 600 pikslit (ligikaudu 2 miljonit pikslit)
(2) Piksli sügavus
Definitsioon:Bittide arv piksli kohta, tavaliselt väljendatuna bittides.
Mõju:Pikslite sügavus määrab pildi halltoonide rikkalikkuse. Rohkem bitte parandab pildi detailide väljendamise võimet, mille tulemuseks on rikkalikumad ja peenemad halltoonid. See aga suurendab ka andmemahtu, mis võib mõjutada süsteemi pilditöötluse kiirust.
Üldised väärtused:Kõige sagedamini kasutatakse 8-bitist. Digikaameratel võib olla ka 10-bitine, 12-bitine või 14-bitine konfiguratsioon.
(3) Maksimaalne kaadrisagedus/reasagedus
Definitsioon:Kiirus, millega kaamera pildistab ja edastab pilte.
Esindus:Kaadrisagedus kehtib tavaliselt pindala{0}}tööstuslike kaamerate puhul, mõõdetuna kaadrit sekundis (kaadrit sekundis), nt 181 kaadrit sekundis näitab, et kaamera suudab jäädvustada kuni 181 kaadrit sekundis. Joonesagedus kehtib liini-skaneerimise tööstuslikele kaameratele, mõõdetuna kHz-des, nt 80 kHz näitab, et kaamera suudab jäädvustada kuni 80 000 pildirida sekundis.
Mõju:Kõrgemad kaadrisagedused/joonte sagedused võimaldavad kaameratel jäädvustada rohkem pilte ajaühikus, muutes need sobivaks stsenaariumide jaoks, mis nõuavad kiiret liikumise jäädvustamist.
Arvutusmeetod:Kaadrisagedus=3 × sihtkiirus / horisontaalne vaateväli; Joone sagedus=Liikumiskiirus / tegelik täpsus=Liikumiskiirus × eraldusvõime / vaateväli.
Määrake vajalik kaadrisagedus objekti liikumiskiiruse alusel rakenduse stsenaariumis. Eeldusel objekti kiirus V (ühik: mm/s) ja kaamera säriaeg T (ühik: s), kus objekti nihe särituse ajal ei tohi ületada ühte piksli suurust P (ühik: mm), saab kaadrisagedust Farvutatakse järgmiselt:F=1/T, kus T P/V väiksem või sellega võrdne.
(4) Säritusmeetod ja säriaega
Särirežiim:Joon-skannimiskaamerate puhul on tüüpiline progresseeruv skaneerimine. Piirkonna-skaneerimise kaamerad kasutavad tavaliselt kaadri säritust, väljasäritust või rulluva katiku säritust.
Säriaeg:Tavaliselt saavutatav kuni 10 mikrosekundit, -kiirete kaameratega, mis suudavad veelgi suuremat kiirust saavutada. Kiirem säriaeg suurendab kaamera võimet pildistada, muutes need sobivaks kiiresti muutuvate valgustingimuste või liikuvate objektidega stsenaariumide jaoks.
(5) Piksli suurus (piksli suurus)
Definitsioon:Piksel on digitaalse kujutise väikseim ühik. Pikslite suurus ja pikslite arv (eraldusvõime) määravad ühiselt kaamera sihtala suuruse.
Üldised väärtused:Tööstusliku kaamera pikslite suurus on tavaliselt vahemikus 3 μm kuni 14 μm.
Mõju:Suuremad pikslid hõivavad rohkem footoneid, tekitades suurema laengu samades valgustus- ja säritingimustes, mis võib anda parema pildikvaliteedi. Väiksemad pikslite suurused suurendavad aga tootmise keerukust.
Arvutamine:Sõltub eraldusvõimest ja kaamera anduri mõõtmetest. Näiteks, võttes arvesse anduri suurust Sa × Sb (horisontaalsed × vertikaalsed mõõtmed mm) ja kaamera eraldusvõimet Na × Nb, on piksli suurus P (oletades ruutpiksleid): P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Spektrivahemik
Definitsioon:Viitab pikslianduri tundlikkuse omadustele erinevate valguse lainepikkuste suhtes.
Üldine leviala:Tavaliselt reageerib vahemikus 350 nm kuni 1000 nm. Mõnel kaameral on anduri ees infrapunavalguse blokeerimiseks filter. Kui süsteemi jaoks on vaja infrapuna tundlikkust, saab selle filtri eemaldada.
(7) Liidese tüüp
Levinud tüübid:Camera Link, Ethernet, 1394, USB väljund jne. Uusim liides on CoaXPress.
Mõju:Liidese tüüp määrab, kuidas andmeid kaamera ja pilditöötlussüsteemide või muude seadmete vahel edastatakse. Sobiva liidese valimine tagab stabiilse ja kiire andmeedastuse.
(8) Anduri suurus
Definitsioon:Kaameraanduri füüsilised mõõtmed, tavaliselt väljendatuna tollides (nt 1/2,3") või millimeetrites (nt 12,8 mm × 9,6 mm).
Arvutusmeetod:
Anduri suuruse määrab tavaliselt tootja, kuid seda saab hinnata pikslite mõõtmete ja eraldusvõime järgi:
Anduri laius=Horisontaalne pikslite arv × pikslite suurus
Anduri kõrgus=vertikaalne pikslite arv × pikslite suurus
(9) Muud parameetrid
Dünaamiline vahemik:Kirjeldab halli tasemete arvu, mida iga piksel suudab eristada. Lai dünaamiline ulatus võimaldab selgelt jäädvustada detaile nii stseeni heledates kui ka tumedates kohtades.
Müra:Pildistamise ajal püütud soovimatud signaalid, mis ei ole tegeliku pildistamise sihtmärgiga seotud. Vastavalt Euroopa masinanägemise assotsiatsiooni (EMVA) standardile EMVA1288 jaguneb kaameramüra laias laastus kahte tüüpi: efektiivsest signaalist tulenev võttemüra ja kaamerale omane, signaalist sõltumatu müra.
5. Kasutusvaldkonnad ja eelised
Tööstuslikke kaameraid kasutatakse laialdaselt kvaliteedikontrollis automatiseeritud tootmisliinidel, masinnägemissüsteemides, meditsiinilises pildistamises, logistikas ja laonduses, turvaseires, liiklusseires, samuti sõjalistes ja lennundusrakendustes. Nende eeliste hulka kuuluvad:
Suur jõudlus ja stabiilsus:Tööstuslikud kaamerad pakuvad kõrget pildistabiilsust, tugevat edastusvõimet ja tugevat häiretetaluvust, võimaldades pikaajalist stabiilset tööd karmides tingimustes.
Suured täpsus- ja mõõtmisvõimalused:Kõrge{0}}eraldusvõimega kujutiste jäädvustamise ja täpse pildianalüüsi algoritmide abil saavutavad tööstuskaamerad suure-täpsuse mõõtmise ja positsioneerimise.
Kiire{0}}jäädvustuse võimalused:Suure-kaadrisagedusega-tööstuslikud kaamerad jäädvustavad kiiresti dünaamilisi pilte, mistõttu sobivad need kiiresti liikuvate objektide pildistamiseks ja jälgimiseks.
Lai kohanemisvõime:Erinevad tööstuslikud kaameratüübid vastavad erinevatele rakendusstsenaariumidele ja -nõuetele, täites keerukaid pildistamis- ja analüüsiülesandeid.
6. Tuntud kaubamärgid
Juhtivate ülemaailmsete tööstuskaamerate kaubamärkide hulka kuuluvad Cognex, Keyence, Kanada Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, Jaapani AVALDATA, Lõuna-Korea VIEWORKS, Daheng Imaging ja Hikvision. Neid kaubamärke hinnatakse kõrgelt nende erakordse jõudluse ja laiaulatuslike rakendusvaldkondade poolest.
Kokkuvõttes toimivad tööstuskaamerad masinnägemissüsteemide kriitiliste komponentidena, mängides olulist rolli tööstusliku automatiseerimise ja intelligentse tootmise valdkonnas. Valides sobivad tööstuslikud kaamerad ja integreerides täiustatud pildianalüüsi algoritme, on võimalik saavutada tõhusam, täpsem ja usaldusväärsem automatiseeritud tootmine ja kvaliteedikontroll.