Camera công nghiệp là thành phần chính trong hệ thống thị giác máy. Chức năng cơ bản của chúng là chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện có tổ chức, từ đó cho phép thu được hình ảnh kỹ thuật số. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, kiểm tra, đo lường và các lĩnh vực khác. Nguyên lý hình ảnh của chúng giống với hình ảnh lỗ kim nhưng phức tạp hơn. Ánh sáng phản chiếu từ đối tượng đi qua thấu kính công nghiệp, nơi nó bị khúc xạ và chiếu lên cảm biến quang của máy ảnh. Cảm biến này thường là thiết bị tích điện kép (CCD) hoặc cảm biến bán dẫn-oxit-kim loại bổ sung (CMOS).
1. Nguyên tắc làm việc
Thu thập hình ảnh:Ánh sáng phản xạ hoặc truyền từ đối tượng được thu thập qua ống kính và tập trung vào cảm biến hình ảnh.
Chuyển đổi quang điện:Cảm biến hình ảnh (thường là CCD hoặc CMOS) chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Lấy cảm biến CMOS làm ví dụ, mỗi pixel chứa một photodiode tạo ra điện tích tỷ lệ với cường độ ánh sáng khi được chiếu sáng, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp.
Xử lý tín hiệu:Tín hiệu điện được khuếch đại đi qua bộ chuyển đổi tương tự-sang{1}}kỹ thuật số (ADC) để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Các tín hiệu số này được xử lý để tạo thành dữ liệu hình ảnh kỹ thuật số, truyền đến máy tính hoặc các thiết bị khác để phân tích tiếp theo.
2. Các tính năng chính của Camera Công nghiệp
Độ tin cậy cao:Camera công nghiệp được thiết kế để hoạt động liên tục trong thời gian dài, đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao và độ rung.
Hiệu suất cao:Mang lại độ phân giải cao, tốc độ khung hình cao, dải động rộng và độ nhạy cao nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm tra độ chính xác và chụp tốc độ cao.
Thiết kế mô-đun:Thường sử dụng kiến trúc mô-đun để tích hợp liền mạch vào các hệ thống và thiết bị công nghiệp đa dạng.
Giao diện đa năng:Hỗ trợ nhiều loại giao diện (ví dụ: GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress) để đáp ứng các yêu cầu về khoảng cách và băng thông khác nhau.
Cấu hình linh hoạt:Hỗ trợ nhiều chế độ kích hoạt, kiểm soát độ phơi sáng và chức năng xử lý hình ảnh để thích ứng với các tình huống ứng dụng đa dạng.
3. Phương pháp phân loại
Theo loại cảm biến hình ảnh:
Máy ảnh CCD:Cung cấp chất lượng hình ảnh cao và độ nhiễu thấp, hoạt động xuất sắc trong điều kiện{0}ánh sáng yếu nhưng có chi phí và mức tiêu thụ điện năng cao hơn. Máy ảnh CMOS có hiệu quả về mặt chi phí, tiêu thụ điện năng thấp- và có tính năng đọc dữ liệu nhanh, mặc dù chất lượng hình ảnh hơi kém hơn.
Theo màu đầu ra:Được phân loại thành máy ảnh màu và máy ảnh đơn sắc (đen{0}}và-trắng). Camera màu ghi lại thông tin màu sắc phong phú của các vật thể, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác của màu sắc, chẳng hạn như kiểm tra hình thức bên ngoài thực phẩm và xác minh màu vật liệu in; Máy ảnh đơn sắc thể hiện độ nhạy sáng cao hơn và vượt trội trong việc phát hiện các biến thể thang độ xám và chi tiết kết cấu trong vật thể. Chúng thường được sử dụng trong các tình huống đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như đo kích thước và phát hiện khuyết tật.
Bằng phương pháp quét:
Camera quét khu vực chụp toàn bộ khung hình cùng một lúc, thích hợp để phát hiện các vật thể tĩnh hoặc những vật thể chuyển động với tốc độ chậm. Máy ảnh quét đường-chụp từng dòng của hình ảnh, tạo nên hình ảnh hoàn chỉnh thông qua chuyển động tương đối giữa vật thể và máy ảnh. Chúng thường được sử dụng để phát hiện các vật thể chuyển động-tốc độ cao và các phép đo-một chiều{5}}có độ chính xác cao, chẳng hạn như-kiểm tra trực tiếp vật liệu in và kiểm tra bề mặt của các tấm kim loại.
Theo loại tín hiệu đầu ra:máy ảnh analog và máy ảnh kỹ thuật số.
Theo dải tần đáp ứng:camera ánh sáng nhìn thấy (tiêu chuẩn), camera hồng ngoại, camera tia cực tím, v.v.
4. Tính toán các thông số chính
(1) Độ phân giải
Sự định nghĩa:Số lượng pixel được chụp trên mỗi khung hình, được xác định bởi độ phân giải của cảm biến hình ảnh của máy ảnh. Điều này thể hiện số lượng pixel được sắp xếp trên mặt phẳng mục tiêu của cảm biến.
Sự va chạm:Trong quá trình chụp ảnh, độ phân giải của camera ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh. Khi chụp ảnh cùng một trường nhìn (phạm vi cảnh), độ phân giải cao hơn sẽ mang lại sự thể hiện chi tiết rõ ràng hơn.
Đại diện:Đối với camera-quét khu vực, độ phân giải thường được biểu thị bằng hai số: độ phân giải ngang (H) và dọc (V), ví dụ: 1920(H) x 1080(V). Số đầu tiên cho biết số lượng pixel trên mỗi hàng, trong khi số thứ hai cho biết số lượng hàng pixel. Đối với camera quét dòng-, độ phân giải thường được biểu thị bằng hàng nghìn (K), chẳng hạn như 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096), v.v.
Tổng số pixel=Pixel ngang × pixel dọc
Ví dụ:1920×1080=2,073.600 pixel (khoảng 2 triệu pixel)
(2) Độ sâu pixel
Sự định nghĩa:Số bit trên mỗi pixel, thường được biểu thị bằng bit.
Sự va chạm:Độ sâu pixel xác định mức độ phong phú của thang độ xám của hình ảnh. Nhiều bit hơn sẽ nâng cao khả năng thể hiện chi tiết hình ảnh, mang lại giá trị thang độ xám phong phú hơn và mịn hơn. Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng dung lượng dữ liệu, có khả năng ảnh hưởng đến tốc độ xử lý hình ảnh của hệ thống.
Giá trị chung:8 bit được sử dụng phổ biến nhất. Máy ảnh kỹ thuật số cũng có thể có cấu hình 10 bit, 12 bit hoặc 14 bit.
(3) Tốc độ khung hình/Tốc độ đường truyền tối đa
Sự định nghĩa:Tốc độ mà máy ảnh chụp và truyền hình ảnh.
Đại diện:Tốc độ khung hình thường áp dụng cho máy ảnh công nghiệp-quét khu vực, được đo bằng khung hình/giây (Khung hình trên giây), ví dụ: 181 khung hình/giây cho biết máy ảnh có thể chụp tới 181 khung hình/giây. Tốc độ đường truyền áp dụng cho máy ảnh công nghiệp quét dòng, được đo bằng kHz, ví dụ: 80kHz cho biết máy ảnh có thể thu được tới 80.000 dòng dữ liệu hình ảnh mỗi giây.
Sự va chạm:Tốc độ khung hình/tần số đường truyền cao hơn cho phép máy ảnh chụp được nhiều hình ảnh hơn trên một đơn vị thời gian, khiến chúng phù hợp với các tình huống yêu cầu chụp chuyển động nhanh.
Phương pháp tính toán:Tốc độ khung hình=3 × Tốc độ mục tiêu / Trường nhìn ngang; Tần số dòng=Tốc độ chuyển động / Độ chính xác thực tế=Tốc độ chuyển động × Độ phân giải / Trường nhìn.
Xác định tốc độ khung hình cần thiết dựa trên tốc độ chuyển động của đối tượng trong kịch bản ứng dụng. Giả sử vận tốc đối tượng V (đơn vị: mm/s) và thời gian phơi sáng của máy ảnh T (đơn vị: s), trong đó độ dịch chuyển của đối tượng trong quá trình phơi sáng không được vượt quá một kích thước pixel P (đơn vị: mm), tốc độ khung hình F có thể làđược tính như sau:F=1/T, trong đó T Nhỏ hơn hoặc bằng P/V.
(4) Phương pháp phơi sáng và tốc độ màn trập
Chế độ phơi sáng:Đối với máy ảnh quét dòng-, việc hiển thị quét lũy tiến là điển hình. Máy ảnh quét khu vực-thường sử dụng phơi sáng khung hình, phơi sáng trường hoặc phơi sáng màn trập lăn.
Tốc độ màn trập:Thông thường có thể đạt được tốc độ xuống tới 10 micro giây, với-máy ảnh tốc độ cao có khả năng đạt tốc độ nhanh hơn nữa. Tốc độ màn trập nhanh hơn sẽ nâng cao khả năng chụp ảnh của máy ảnh, giúp chúng phù hợp với các tình huống có điều kiện ánh sáng thay đổi nhanh chóng hoặc đối tượng chuyển động.
(5) Kích thước pixel (Kích thước pixel)
Sự định nghĩa:Pixel là đơn vị nhỏ nhất tạo nên một hình ảnh kỹ thuật số. Kích thước pixel và số lượng pixel (độ phân giải) cùng xác định kích thước vùng mục tiêu của máy ảnh.
Giá trị chung:Kích thước pixel của máy ảnh công nghiệp thường nằm trong khoảng từ 3μm đến 14μm.
Sự va chạm:Các pixel lớn hơn thu được nhiều photon hơn, tạo ra điện tích lớn hơn trong điều kiện ánh sáng và độ phơi sáng giống nhau, có khả năng mang lại chất lượng hình ảnh cao hơn. Tuy nhiên, kích thước pixel nhỏ hơn sẽ làm tăng độ phức tạp trong sản xuất.
Tính toán:Phụ thuộc vào độ phân giải và kích thước cảm biến camera. Ví dụ: với kích thước cảm biến Sa × Sb (kích thước ngang × dọc tính bằng mm) và độ phân giải camera là Na × Nb, kích thước pixel P (giả sử pixel vuông) là: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Dải quang phổ
Sự định nghĩa:Đề cập đến đặc điểm độ nhạy của cảm biến pixel đối với các bước sóng ánh sáng khác nhau.
Phạm vi chung:Thường đáp ứng trong khoảng từ 350nm đến 1000nm. Một số máy ảnh kết hợp bộ lọc phía trước cảm biến để chặn ánh sáng hồng ngoại. Nếu hệ thống cần độ nhạy hồng ngoại, bộ lọc này có thể được loại bỏ.
(7) Loại giao diện
Các loại phổ biến:Camera Link, Ethernet, 1394, đầu ra USB, v.v. Giao diện mới nhất là CoaXPress.
Sự va chạm:Loại giao diện xác định cách truyền dữ liệu giữa máy ảnh và hệ thống xử lý hình ảnh hoặc các thiết bị khác. Việc lựa chọn giao diện thích hợp đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và nhanh chóng.
(8) Kích thước cảm biến
Sự định nghĩa:Kích thước vật lý của cảm biến máy ảnh, thường được biểu thị bằng inch (ví dụ: 1/2,3") hoặc milimét (ví dụ: 12,8 mm × 9,6 mm).
Phương pháp tính toán:
Kích thước cảm biến thường được nhà sản xuất cung cấp nhưng có thể ước tính từ kích thước và độ phân giải pixel:
Chiều rộng cảm biến=Số pixel ngang × Kích thước pixel
Chiều cao cảm biến=Số lượng pixel dọc × Kích thước pixel
(9) Các thông số khác
Phạm vi động:Mô tả số lượng mức xám mà mỗi pixel có thể phân biệt. Dải động rộng cho phép chụp rõ ràng các chi tiết ở cả vùng sáng và vùng tối của cảnh.
Tiếng ồn:Các tín hiệu không mong muốn được ghi lại trong quá trình chụp ảnh không liên quan đến mục tiêu chụp ảnh thực tế. Theo tiêu chuẩn EMVA1288 của Hiệp hội Thị giác Máy Châu Âu (EMVA), nhiễu máy ảnh được phân loại rộng rãi thành hai loại: nhiễu ảnh bắt nguồn từ tín hiệu hiệu dụng và nhiễu vốn có của chính máy ảnh, không phụ thuộc vào tín hiệu.
5. Lĩnh vực ứng dụng và lợi thế
Camera công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong kiểm soát chất lượng trên dây chuyền sản xuất tự động, hệ thống thị giác máy, hình ảnh y tế, hậu cần và kho bãi, giám sát an ninh, giám sát giao thông, cũng như các ứng dụng quân sự và hàng không. Ưu điểm của họ bao gồm:
Hiệu suất cao và ổn định:Camera công nghiệp mang lại độ ổn định hình ảnh cao, khả năng truyền mạnh mẽ và khả năng chống nhiễu mạnh, cho phép hoạt động ổn định kéo dài trong điều kiện khắc nghiệt.
Khả năng đo lường và độ chính xác cao:Thông qua thuật toán chụp ảnh có độ phân giải cao và phân tích hình ảnh chính xác, máy ảnh công nghiệp đạt được phép đo và định vị có độ chính xác-cao.
Khả năng chụp tốc độ cao-:Máy ảnh công nghiệp có tốc độ-khung hình-cao nhanh chóng chụp được những hình ảnh động, khiến chúng phù hợp để chụp ảnh và giám sát các vật thể-chuyển động nhanh.
Khả năng thích ứng rộng:Các loại camera công nghiệp đa dạng đáp ứng các tình huống và yêu cầu ứng dụng khác nhau, đáp ứng các nhiệm vụ phân tích và hình ảnh phức tạp.
6. Thương hiệu nổi tiếng
Các thương hiệu camera công nghiệp hàng đầu toàn cầu bao gồm Cognex, Keyence, Teledyne DALSA của Canada, FLIR, Lumennera, AVALDATA của Nhật Bản, VIEWORKS của Hàn Quốc, Daheng Imaging và Hikvision. Những thương hiệu này được đánh giá cao nhờ hiệu suất vượt trội và phạm vi ứng dụng rộng rãi.
Tóm lại, camera công nghiệp đóng vai trò là thành phần quan trọng trong hệ thống thị giác máy, đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp và sản xuất thông minh. Bằng cách chọn máy ảnh công nghiệp phù hợp và tích hợp các thuật toán phân tích hình ảnh tiên tiến, có thể đạt được việc kiểm soát chất lượng và sản xuất tự động hiệu quả, chính xác và đáng tin cậy hơn.