Industriekameras unterscheiden sich von den Kameras in unseren Smartphones oder DSLR-Kameras. Sie können in rauen Umgebungen eingesetzt werden, z. B. bei hohen Temperaturen, hohem Druck und unter staubigen Bedingungen. Industriekameras bestehen hauptsächlich aus Array-Kameras und Zeilenkameras.
Zeilenkameras werden vor allem in Szenarien eingesetzt, die hohe Präzision und schnelle Bewegungen erfordern, während Array-Kameras ein breiteres Anwendungsspektrum haben.
Diese Kameras haben eine lineare Konfiguration und werden typischerweise in zwei Szenarien eingesetzt. Erstens werden sie für die Inspektion von länglichen, bandähnlichen Sichtfeldern verwendet, oft auf rotierenden Trommeln. Zweitens werden sie für Anwendungen gewählt, die ein großes Sichtfeld mit hoher Präzision erfordern. Die zweidimensionalen Bilder, die wir von Zeilenkameras sehen, werden durch mehrere Zeilenabtastungen erzeugt.
Zu den Vorteilen von Zeilenkameras gehören eine hohe Anzahl eindimensionaler Pixel, weniger Gesamtpixel im Vergleich zu Array-Kameras, flexible Pixelgrößen und hohe Bildraten. Dadurch eignen sie sich besonders für die Messung eindimensionaler dynamischer Ziele.
Array-Kameras werden häufiger in Anwendungen der maschinellen Bildverarbeitung eingesetzt. Der Vorteil von Array-CCD-Kameras liegt in ihrer Fähigkeit, zweidimensionale Bildinformationen direkt zu erfassen und so intuitive Messbilder zu liefern.
Sie können für kurze Belichtungszeiten verwendet werden, was für die Aufnahme dynamischer Szenen von Vorteil ist, und eignen sich auch für statische Objekte. Da ich hauptsächlich Array-Kameras verwende, wird sich dieser Abschnitt auf die Auswahl von Array-Kameras konzentrieren.
Für statische Objekte sind CMOS-Kameras eine kostengünstige Option. Für sich bewegende Ziele sind jedoch CCD-Kameras zu bevorzugen. Wenn eine Hochgeschwindigkeitserfassung erforderlich ist - bezogen auf die Erfassungsgeschwindigkeit, nicht auf die Bewegungsgeschwindigkeit - sollten CMOS-Kameras mit ihren höheren Erfassungsraten in Betracht gezogen werden. Für qualitativ hochwertige Bilder, z. B. zur Größenmessung, werden CCD-Kameras empfohlen, da sie bei kleinen Sensoren im Allgemeinen besser abschneiden als CMOS-Kameras.
CCD-Industriekameras werden hauptsächlich für die Erfassung von Bildern bewegter Objekte verwendet und sind in automatischen visuellen Inspektionslösungen weit verbreitet. Mit der Weiterentwicklung der CMOS-Technologie werden CMOS-Industriekameras aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihres geringen Stromverbrauchs immer beliebter.
Die Vorderseite einer Industriekamera dient zum Anbringen von Objektiven, und sie verfügen in der Regel über standardisierte professionelle Schnittstellen. Auf der Rückseite befinden sich in der Regel zwei Schnittstellen: eine Stromversorgungsschnittstelle und eine Datenschnittstelle.
Zu den industriellen Kameraschnittstellen gehören USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b, CoaXPress und andere. Hier werden nur ein paar gängige Typen vorgestellt.
USB-Schnittstelle:
Unterstützt Hot-Plugging, ist benutzerfreundlich, standardisiert und vereinheitlicht, verbindet mehrere Geräte und kann über ein USB-Kabel mit Strom versorgt werden.
Es gibt jedoch kein standardisiertes Protokoll und eine Master-Slave-Struktur, die eine hohe CPU-Auslastung und eine nicht garantierte Bandbreite aufweist. USB 3.0-Schnittstellen können sich selbst mit Strom versorgen, aber eine externe Stromquelle kann verwendet werden, wenn die USB-Stromversorgung instabil ist.
Gige Gigabit Ethernet Schnittstelle:
Sie wurde auf der Grundlage des Gigabit-Ethernet-Kommunikationsprotokolls entwickelt und eignet sich für industrielle Bildgebungsanwendungen, bei denen unkomprimierte Videosignale über ein Netzwerk übertragen werden.
Es bietet eine gute Erweiterbarkeit mit Datenübertragungslängen von bis zu 100 m (mit Repeatern unbegrenzt erweiterbar), eine Bandbreite von 1 Gbit für die sofortige Datenübertragung, verwendet Standard-NIC-Karten (oder solche, die in PCs vorinstalliert sind), ist kostengünstig und verwendet preiswerte Kabel (Standard-Ethernet-Kabel CAT-6) mit Standardsteckern. Es ist einfach zu integrieren, kostengünstig und weit verbreitet.
CameraLink-Schnittstelle:
Ein serielles Kommunikationsprotokoll, das LVDS-Schnittstellenstandards verwendet und sich durch hohe Geschwindigkeit, starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten und geringen Stromverbrauch auszeichnet. Es wurde aus der Channel-Link-Technologie entwickelt, fügt einige Übertragungskontrollsignale hinzu und definiert entsprechende Standards. Das Protokoll verwendet MDR-26-Pin-Anschlüsse, bietet eine hohe Geschwindigkeit mit einer Bandbreite von bis zu 6400 Mbit/s, starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten und einen geringen Stromverbrauch.
Gige Schnittstellen vereinfachen die Einrichtung mehrerer Kameras und unterstützen 100 Meter Kabelausgang. Die Camera Link-Schnittstelle ist speziell für den Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Bilddaten ausgelegt. USB 3.0-Schnittstellen sind für ihre Einfachheit und Echtzeitfähigkeit bekannt.
Die derzeit am weitesten verbreitete Schnittstelle in der industriellen Bildverarbeitung ist die Gige (Ethernet)-Schnittstelle, die gegenüber anderen Schnittstellen erhebliche Vorteile in Bezug auf Übertragungsgeschwindigkeit, Entfernung und Kosten bietet.
Die Auflösung ist ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl einer Kamera. Es ist wichtig, die Beziehung zwischen Auflösung, Pixeln, Genauigkeit, Pixelgröße und Sensorgröße zu verstehen, da diese Begriffe oft verwechselt werden.
Die Kameraauflösung bezieht sich auf die Anzahl der in jedem Bild erfassten Pixel, d. h. auf die Gesamtzahl der lichtempfindlichen Chips, die in der Regel in Millionen gemessen und in einer Matrix angeordnet werden.
Eine Kamera mit einer Million Pixeln könnte beispielsweise eine Pixelmatrix von BxH = 1000×1000 haben. Die Pixelgröße variiert je nach Gerät, wobei jedes Pixel eine bestimmte Position und einen bestimmten Farbwert hat. Die Anordnung und Farbe dieser Pixel bestimmen das Aussehen des Bildes.
Sensorgrößen (CCD/CMOS) können verwirrend sein, da sich Begriffe wie 1/1,8 Zoll oder 2/3 Zoll nicht auf eine bestimmte Abmessung oder Diagonale des Sensors beziehen, so dass es schwierig ist, sich die tatsächliche Größe vorzustellen.
| Sensor-Typ | Diagonale Linie (mm) | Breite (mm) | Höhe (mm) |
| 1/3" | 6.000 | 4.800 | 3.600 |
| 1/2.5 | 7.182 | 5.760 | 4.290 |
| 1/2" | 8.000 | 6.400 | 4.800 |
| 1.8" | 8.933 | 7.176 | 5.319 |
| 2/3" | 11.000 | 8.800 | 6.600 |
| 1″ | 16.000 | 12.800 | 9.600 |
| 4/3" | 22.500 | 18.800 | 18.500 |
Die Sensorgröße wirkt sich auf das Sichtfeld und den Arbeitsabstand aus. Bei größeren Sensoren und gleicher Pixeldichte nimmt die Pixelgröße zu, wodurch der lichtempfindliche Bereich jedes Pixels vergrößert und die Bildqualität verbessert wird. Bei gleichem Arbeitsabstand und Objektiv kann ein größerer Sensor ein breiteres Sichtfeld erfassen.
Anhand der Kameraauflösung und der Sensorgröße kann die Pixelgröße berechnet werden:
Pixelgröße = Sensorgröße / Auflösung (Anzahl der Pixel)
Daraus ergibt sich die Pixelgröße in Breite und Höhe.
Die Pixelgröße bezieht sich auf die tatsächliche physische Größe jedes Pixels auf der Pixelmatrix des Chips, z. B. 3,75 um x 3,75 um. In gewisser Weise spiegelt die Pixelgröße die Lichtempfindlichkeit des Chips wider. Größere Pixel können mehr Photonen empfangen und erzeugen bei gleichen Lichtverhältnissen und gleicher Belichtungszeit mehr elektrische Ladung.
Dies ist besonders wichtig für Aufnahmen bei schwachem Licht, wo die Pixelgröße ein Indikator für die Empfindlichkeit des Chips ist. Es ist wichtig, dies von der Kameraauflösung zu unterscheiden: kleinere Auflösungswerte bedeuten eine höhere Auflösung, während größere Pixelgrößen eine höhere Empfindlichkeit bedeuten. Dies sind zwei unterschiedliche Konzepte.
Die Genauigkeit bezieht sich auf die Größe des tatsächlichen Objekts, das von einem einzelnen Pixel dargestellt wird, ausgedrückt in (um*um)/Pixel. Es ist wichtig zu beachten, dass die Pixelgröße nicht dasselbe ist wie die Genauigkeit.
Die Pixelgröße ist ein festes Merkmal der mechanischen Konstruktion der Kamera, während die Genauigkeit sich auf das Sichtfeld der Kamera bezieht und variabel ist. Je kleiner der Genauigkeitswert ist, desto höher ist die Genauigkeit.
Die von einem einzelnen Pixel dargestellte Größe = Breite des Sichtfelds / Auflösung der Breite = Höhe des Sichtfelds / Auflösung der Höhe
Zusätzlicher Hinweis: In Anbetracht der Verzerrungen am Bildrand der Kamera und der Stabilitätsanforderungen des Systems setzen wir eine einzelne Pixeleinheit im Allgemeinen nicht mit einem Messgenauigkeitswert gleich.
Je nach Lichtquelle ist der Berechnungswert manchmal höher. Bei einer Hintergrundbeleuchtung beträgt die Genauigkeit 1~3 Pixel, während sie bei einer direkten Lichtquelle 3~5 Pixel beträgt. Wenn Sie beispielsweise eine 500W-Pixel-Kamera mit einer Auflösung von 25002000 und einem Sichtfeld von 100 mm80 mm:
Es ist wichtig zu verstehen, dass bei der Berechnung der Auflösung auf der Grundlage der bekannten Genauigkeit oft eine Kamera mit einer höheren Auflösung als dem berechneten Wert erforderlich ist, um die Anforderungen zu erfüllen.
Die Bildauflösung ist relativ einfach zu verstehen. Sie bezieht sich auf die Anzahl der Pixel, die zur Darstellung eines Bildes pro Entfernungseinheit verwendet werden, ähnlich dem Konzept der Genauigkeit, aber anders ausgedrückt.
Wenn das Sichtfeld, d. h. die Zielgröße, festgelegt ist (die Zielgröße wird bei der Auswahl einer Kamera im Allgemeinen als Sichtfeld betrachtet), sind die Genauigkeit und die Bildauflösung umso höher, je größer die Kameraauflösung ist.
Wenn das Sichtfeld nicht festgelegt ist, können Kameras mit unterschiedlichen Auflösungen die gleiche Genauigkeit erreichen. In solchen Fällen kann die Wahl einer Kamera mit größeren Pixeln das Sichtfeld erweitern, die Anzahl der erforderlichen Aufnahmen verringern und die Prüfgeschwindigkeit erhöhen.
Wenn beispielsweise eine Kamera 1 Million Pixel und eine andere 3 Millionen Pixel hat und beide die gleiche Schärfe aufweisen (20 um/Pixel in der Genauigkeit), beträgt das Sichtfeld der ersten Kamera 20 mm x 20 mm = 400 mm², während das Sichtfeld der zweiten Kamera 1200 mm² beträgt. Bei der Erfassung der gleichen Anzahl von Zielen auf einer Fertigungsstraße müsste die erste Kamera möglicherweise 30 Bilder aufnehmen, während die zweite Kamera nur 10 Bilder aufnehmen müsste.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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