Les càmeres industrials són components clau en els sistemes de visió artificial. La seva funció fonamental és convertir els senyals lluminosos en senyals elèctrics organitzats, permetent així l'adquisició d'imatges digitals. S'utilitzen àmpliament en la producció industrial, la inspecció, el mesurament i altres camps. El seu principi d'imatge s'assembla a la imatge estenopeica, però és més complex. La llum reflectida pel subjecte passa a través de la lent industrial, on es refracta i es projecta al sensor fotosensible de la càmera. Aquest sensor sol ser un dispositiu acoblat de càrrega (CCD) o un sensor de semiconductor-d'òxid-de metall complementari (CMOS).
1. Principi de funcionament
Adquisició d'imatges:La llum reflectida o transmesa pel subjecte es recull a través de la lent i s'enfoca al sensor d'imatge.
Conversió fotoelèctrica:El sensor d'imatge (normalment CCD o CMOS) converteix els senyals de llum en senyals elèctrics. Prenent com a exemple un sensor CMOS, cada píxel conté un fotodíode que genera càrrega proporcional a la intensitat de la llum quan s'il·lumina, que després es converteix en un senyal de tensió.
Processament del senyal:Els senyals elèctrics amplificats passen per un convertidor analògic-a-digital (ADC) per convertir els senyals analògics en senyals digitals. Aquests senyals digitals es processen per formar dades d'imatge digital, transmeses a ordinadors o altres dispositius per a l'anàlisi posterior.
2. Característiques clau de les càmeres industrials
Alta fiabilitat:Les càmeres industrials estan dissenyades per a un funcionament continu prolongat, garantint un rendiment estable en entorns durs, com ara altes temperatures, alta humitat i vibracions.
Alt rendiment:Ofereix alta resolució, velocitats de fotogrames elevades, rang dinàmic ampli i alta sensibilitat per satisfer les demandes d'inspecció de precisió i captura d'alta{0}}velocitat.
Disseny modular:Normalment empra una arquitectura modular per a una integració perfecta en diversos equips i sistemes industrials.
Interfícies versàtils:Admet diversos tipus d'interfície (per exemple, GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) per adaptar-se a diferents requisits d'amplada de banda i distància.
Configuració flexible:Admet múltiples modes d'activació, control d'exposició i funcions de processament d'imatges per adaptar-se a diversos escenaris d'aplicació.
3. Mètodes de classificació
Per tipus de sensor d'imatge:
Càmeres CCD:Oferiu una alta qualitat d'imatge i un baix soroll, excel·lent en condicions de poca-il·luminació, però presenten costos i consum d'energia més elevats. Les càmeres CMOS són rendibles, de baixa-potència i tenen una lectura ràpida de dades, tot i que la qualitat de la imatge és lleugerament inferior.
Per color de sortida:Classificades com a càmeres en color i càmeres monocromes (-i-negre i en blanc). Les càmeres en color capturen informació de color rica dels objectes, adequades per a aplicacions que requereixen precisió del color, com ara la inspecció de l'aspecte dels aliments i la verificació del color del material imprès; Les càmeres monocromes presenten una major sensibilitat a la llum i destaquen per detectar variacions en escala de grisos i detalls de textura en objectes. S'utilitzen habitualment en escenaris que requereixen alta precisió, com ara la mesura dimensional i la detecció de defectes.
Per mètode d'escaneig:
Les càmeres d'exploració d'àrea capturen un fotograma complet d'una imatge alhora, adequades per detectar objectes estàtics o aquells que es mouen a velocitats lentes. Les càmeres d'escaneig en línia-capten una línia d'una imatge alhora, construint la imatge completa mitjançant el moviment relatiu entre l'objecte i la càmera. S'utilitzen habitualment per detectar objectes en moviment a-alta velocitat i mesures unidimensionals d'alta-precisió-, com ara la-inspecció en línia de materials impresos i la inspecció de superfícies de làmines metàl·liques.
Per tipus de senyal de sortida:càmeres analògiques i càmeres digitals.
Per rang de freqüència de resposta:càmeres de llum visible (estàndard), càmeres infrarojes, càmeres ultravioletes, etc.
4. Càlculs de paràmetres clau
(1) Resolució
Definició:El nombre de píxels capturats per fotograma d'imatge, determinat per la resolució del sensor d'imatge de la càmera. Això representa la quantitat de píxels disposats al pla objectiu del sensor.
Impacte:Durant la captura d'imatge, la resolució de la càmera afecta significativament la qualitat de la imatge. Quan es visualitza el mateix camp de visió (interval de l'escena), una resolució més alta produeix una representació de detalls més pronunciada.
Representació:Per a les càmeres d'escaneig d'àrea-, la resolució s'expressa normalment amb dos números: horitzontal (H) i vertical (V), per exemple, 1920 (H) x 1080 (V). El primer número indica el nombre de píxels per fila, mentre que el segon número indica el nombre de files de píxels. Per a les càmeres d'escaneig de línia-, la resolució sol indicar-se en milers (K), com ara 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096), etc.
Píxels totals=Píxels horitzontals × Píxels verticals
Exemple:1920×1080=2,073.600 píxels (aproximadament 2 milions de píxels)
(2) Profunditat de píxels
Definició:El nombre de bits per píxel, normalment expressat en bits.
Impacte:La profunditat de píxels determina la riquesa de l'escala de grisos d'una imatge. Més bits milloren la capacitat d'expressar detalls de la imatge, donant com a resultat valors d'escala de grisos més rics i fins. Tanmateix, això també augmenta el volum de dades, afectant potencialment la velocitat de processament d'imatges del sistema.
Valors comuns:8 bits és el més utilitzat. Les càmeres digitals també poden incloure configuracions de 10 bits, 12 bits o 14 bits.
(3) Velocitat de fotogrames/Velocitat de línia màxima
Definició:La velocitat a la qual una càmera captura i transmet imatges.
Representació:La velocitat de fotogrames normalment s'aplica a les càmeres industrials d'escaneig d'àrea-, mesurada en fps (fotogrames per segon), per exemple, 181 fps indica que la càmera pot capturar fins a 181 fotogrames per segon. La velocitat de línia s'aplica a les càmeres industrials d'escaneig en línia-, mesurada en kHz, per exemple, 80 kHz indica que la càmera pot capturar fins a 80.000 línies de dades d'imatge per segon.
Impacte:Les freqüències/freqüències de línia més altes permeten que les càmeres capturen més imatges per unitat de temps, cosa que les fa adequades per a escenaris que requereixen una captura de moviment ràpid.
Mètode de càlcul:Velocitat de fotogrames=3 × Velocitat objectiu / Camp de visió horitzontal; Freqüència de línia=Velocitat de moviment / Precisió real=Velocitat de moviment × Resolució / Camp de visió.
Determineu la velocitat de fotogrames necessària en funció de la velocitat de moviment de l'objecte en l'escenari d'aplicació. Suposant la velocitat de l'objecte V (unitat: mm/s) i el temps d'exposició de la càmera T (unitat: s), on el desplaçament de l'objecte durant l'exposició no ha de superar una mida de píxel P (unitat: mm), la velocitat de fotogrames F pot sercalculat com:F=1/T, on T inferior o igual a P/V.
(4) Mètode d'exposició i velocitat d'obturació
Mode d'exposició:Per a les càmeres d'escaneig en línia-, l'exposició d'escaneig progressiu és habitual. Les càmeres d'escaneig d'àrea-acostumen a utilitzar l'exposició de fotogrames, l'exposició de camp o l'exposició amb obturador enrotllable.
Velocitat d'obturació:Normalment es pot aconseguir fins a 10 microsegons, amb càmeres-d'alta velocitat capaços de velocitats encara més ràpides. Les velocitats d'obturació més ràpides milloren la capacitat de la càmera per capturar imatges, fent-les adequades per a escenaris amb condicions de llum que canvien ràpidament o subjectes en moviment.
(5) Mida de píxels (mida de píxels)
Definició:Un píxel és la unitat més petita que compon una imatge digital. La mida de píxels i el nombre de píxels (resolució) determinen conjuntament la mida de l'àrea objectiu de la càmera.
Valors comuns:Les mides de píxels de les càmeres industrials solen oscil·lar entre 3 μm i 14 μm.
Impacte:Els píxels més grans capturen més fotons, generant una càrrega més gran en condicions idèntiques d'il·luminació i exposició, la qual cosa pot produir una qualitat d'imatge més alta. Tanmateix, les mides de píxels més petites augmenten la complexitat de fabricació.
Càlcul:Depèn de la resolució i les dimensions del sensor de la càmera. Per exemple, donada una mida del sensor de Sa × Sb (dimensions horitzontals × verticals en mm) i una resolució de càmera de Na × Nb, la mida de píxel P (suposant píxels quadrats) és: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Interval espectral
Definició:Es refereix a les característiques de sensibilitat del sensor de píxels a diferents longituds d'ona de llum.
Interval comú:Típicament respon entre 350 nm i 1000 nm. Algunes càmeres incorporen un filtre davant del sensor per bloquejar la llum infraroja. Si es requereix sensibilitat infraroja per al sistema, aquest filtre es pot eliminar.
(7) Tipus d'interfície
Tipus comuns:Camera Link, Ethernet, 1394, sortida USB, etc. La darrera interfície és CoaXPress.
Impacte:El tipus d'interfície determina com es transfereixen les dades entre la càmera i els sistemes de processament d'imatges o altres dispositius. La selecció de la interfície adequada garanteix una transmissió de dades estable i ràpida.
(8) Mida del sensor
Definició:Les dimensions físiques del sensor de la càmera, normalment expressades en polzades (p. ex., 1/2,3") o mil·límetres (p. ex., 12,8 mm × 9,6 mm).
Mètode de càlcul:
La mida del sensor la proporciona normalment el fabricant, però es pot estimar a partir de les dimensions dels píxels i la resolució:
Amplada del sensor=Recompte de píxels horitzontals × Mida de píxels
Alçada del sensor=Recompte de píxels vertical × Mida de píxels
(9) Altres paràmetres
Interval dinàmic:Descriu el nombre de nivells de gris que pot distingir cada píxel. L'ampli rang dinàmic permet una captura clara de detalls tant en zones clares com fosques d'una escena.
Soroll:Senyals no desitjats capturats durant la imatge que no estan relacionats amb l'objectiu real de la imatge. Segons l'estàndard EMVA1288 de l'Associació Europea de Visió Mecànica (EMVA), el soroll de la càmera es classifica àmpliament en dos tipus: el soroll de tir derivat del senyal efectiu i el soroll inherent intrínsec a la pròpia càmera, independentment del senyal.
5. Camps d'aplicació i avantatges
Les càmeres industrials s'utilitzen àmpliament en el control de qualitat en línies de producció automatitzades, sistemes de visió artificial, imatge mèdica, logística i emmagatzematge, vigilància de seguretat, seguiment del trànsit, així com aplicacions militars i d'aviació. Els seus avantatges inclouen:
Alt rendiment i estabilitat:Les càmeres industrials ofereixen una alta estabilitat d'imatge, capacitats de transmissió robustes i una forta resistència a les interferències, que permeten un funcionament estable i prolongat en condicions dures.
Alta precisió i capacitats de mesura:Mitjançant la captura d'imatges d'alta-resolució i algorismes d'anàlisi d'imatges precisos, les càmeres industrials aconsegueixen mesuraments i posicionaments d'alta-precisió.
Capacitats de-captura d'alta velocitat:Les càmeres industrials de -fotograma-alta velocitat capturen ràpidament imatges dinàmiques, la qual cosa les fa adequades per fotografiar i controlar objectes-que es mouen ràpidament.
Àmplia adaptabilitat:Diversos tipus de càmeres industrials atenen diferents escenaris i requisits d'aplicació, complint tasques complexes d'anàlisi i imatge.
6. Marques reconegudes
Les principals marques mundials de càmeres industrials inclouen Cognex, Keyence, Teledyne DALSA del Canadà, FLIR, Lumennera, AVALDATA del Japó, VIEWORKS de Corea del Sud, Daheng Imaging i Hikvision. Aquestes marques són molt apreciades pel seu rendiment excepcional i els seus amplis dominis d'aplicació.
En resum, les càmeres industrials serveixen com a components crítics dins dels sistemes de visió artificial, jugant un paper vital en l'automatització industrial i la fabricació intel·ligent. Mitjançant la selecció de càmeres industrials adequades i la integració d'algoritmes avançats d'anàlisi d'imatges, es pot aconseguir una producció automatitzada i un control de qualitat més eficients, precisos i fiables.