Industriekameras sind Schlüsselkomponenten in Bildverarbeitungssystemen. Ihre grundlegende Funktion besteht darin, Lichtsignale in organisierte elektrische Signale umzuwandeln und so die Erfassung digitaler Bilder zu ermöglichen. Sie werden häufig in der industriellen Produktion, Inspektion, Messung und anderen Bereichen eingesetzt. Ihr Abbildungsprinzip ähnelt der Lochkamera, ist jedoch komplexer. Das vom Motiv reflektierte Licht durchläuft das Industrieobjektiv, wird dort gebrochen und auf den lichtempfindlichen Sensor der Kamera projiziert. Bei diesem Sensor handelt es sich typischerweise um ein ladungsgekoppeltes Bauteil (CCD) oder einen komplementären Metalloxid-Halbleitersensor (CMOS).
1. Funktionsprinzip
Bildaufnahme:Vom Motiv reflektiertes oder durchgelassenes Licht wird durch das Objektiv gesammelt und auf den Bildsensor fokussiert.
Photoelektrische Umwandlung:Der Bildsensor (üblicherweise CCD oder CMOS) wandelt Lichtsignale in elektrische Signale um. Am Beispiel eines CMOS-Sensors enthält jedes Pixel eine Fotodiode, die bei Beleuchtung proportional zur Lichtintensität eine Ladung erzeugt, die dann in ein Spannungssignal umgewandelt wird.
Signalverarbeitung:Die verstärkten elektrischen Signale durchlaufen einen Analog{0}}zu-Digitalwandler (ADC), um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Diese digitalen Signale werden zu digitalen Bilddaten verarbeitet und zur anschließenden Analyse an Computer oder andere Geräte übertragen.
2. Hauptmerkmale von Industriekameras
Hohe Zuverlässigkeit:Industriekameras sind für einen längeren Dauerbetrieb konzipiert und gewährleisten eine stabile Leistung in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und Vibrationen.
Hohe Leistung:Bietet eine hohe Auflösung, hohe Bildraten, einen großen Dynamikbereich und eine hohe Empfindlichkeit, um den Anforderungen an Präzisionsinspektion und Hochgeschwindigkeitserfassung gerecht zu werden.
Modularer Aufbau:Verwendet typischerweise eine modulare Architektur für die nahtlose Integration in verschiedene Industrieanlagen und -systeme.
Vielseitige Schnittstellen:Unterstützt mehrere Schnittstellentypen (z. B. GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress), um unterschiedlichen Bandbreiten- und Entfernungsanforderungen gerecht zu werden.
Flexible Konfiguration:Unterstützt mehrere Triggermodi, Belichtungssteuerung und Bildverarbeitungsfunktionen zur Anpassung an verschiedene Anwendungsszenarien.
3. Klassifizierungsmethoden
Nach Bildsensortyp:
CCD-Kameras:Bieten eine hohe Bildqualität und geringes Rauschen und eignen sich hervorragend für schlechte -Lichtverhältnisse, weisen jedoch höhere Kosten und einen höheren Stromverbrauch auf. CMOS-Kameras sind kostengünstig, haben einen geringen Stromverbrauch und bieten eine schnelle Datenauslesung, allerdings ist die Bildqualität etwas schlechter.
Nach Ausgabefarbe:Eingeteilt in Farbkameras und Monochromkameras (Schwarz-und-Weiß). Farbkameras erfassen reichhaltige Farbinformationen von Objekten und eignen sich für Anwendungen, die Farbgenauigkeit erfordern, wie z. B. die Inspektion des Erscheinungsbilds von Lebensmitteln und die Farbüberprüfung gedruckter Materialien. Monochromkameras weisen eine höhere Lichtempfindlichkeit auf und eignen sich hervorragend für die Erkennung von Graustufenvariationen und Texturdetails in Objekten. Sie werden häufig in Szenarien eingesetzt, die eine hohe Präzision erfordern, wie z. B. Dimensionsmessung und Fehlererkennung.
Nach Scanmethode:
Flächenkameras erfassen ein komplettes Bild auf einmal und eignen sich zur Erkennung statischer oder sich langsam bewegender Objekte. Zeilenkameras erfassen jeweils eine Zeile eines Bildes und erstellen das vollständige Bild durch relative Bewegung zwischen dem Objekt und der Kamera. Sie werden häufig zur Erkennung von sich schnell bewegenden Objekten und für hochpräzise eindimensionale Messungen verwendet, beispielsweise für die In-{6}Inspektion von Druckmaterialien und die Oberflächeninspektion von Metallblechen.
Nach Ausgangssignaltyp:analoge Kameras und digitale Kameras.
Nach Antwortfrequenzbereich:Kameras mit sichtbarem Licht (Standard), Infrarotkameras, Ultraviolettkameras usw.
4. Berechnungen der wichtigsten Parameter
(1) Auflösung
Definition:Die Anzahl der pro Bild erfassten Pixel, bestimmt durch die Auflösung des Bildsensors der Kamera. Dies stellt die Anzahl der Pixel dar, die auf der Zielebene des Sensors angeordnet sind.
Auswirkungen:Während der Bildaufnahme hat die Kameraauflösung erheblichen Einfluss auf die Bildqualität. Bei der Abbildung des gleichen Sichtfeldes (Szenenbereichs) führt eine höhere Auflösung zu einer ausgeprägteren Detaildarstellung.
Darstellung:Bei Flächenkameras wird die Auflösung normalerweise durch zwei Zahlen ausgedrückt: horizontale (H) und vertikale (V), z. B. 1920 (H) x 1080 (V). Die erste Zahl gibt die Anzahl der Pixel pro Zeile an, während die zweite Zahl die Anzahl der Pixelzeilen angibt. Bei Zeilenkameras wird die Auflösung normalerweise in Tausend (K) angegeben, z. B. 1K (1024), 2K (2048), 4K (4096) usw.
Gesamtpixel=Horizontale Pixel × Vertikale Pixel
Beispiel:1920×1080=2.073.600 Pixel (ungefähr 2 Millionen Pixel)
(2) Pixeltiefe
Definition:Die Anzahl der Bits pro Pixel, normalerweise ausgedrückt in Bits.
Auswirkungen:Die Pixeltiefe bestimmt den Reichtum der Graustufen eines Bildes. Mehr Bits verbessern die Fähigkeit, Bilddetails darzustellen, was zu satteren und feineren Graustufenwerten führt. Allerdings erhöht sich dadurch auch das Datenvolumen, was sich möglicherweise auf die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit des Systems auswirkt.
Gemeinsame Werte:8-Bit wird am häufigsten verwendet. Digitalkameras verfügen möglicherweise auch über 10-Bit-, 12-Bit- oder 14-Bit-Konfigurationen.
(3) Maximale Bildrate/Zeilenrate
Definition:Die Geschwindigkeit, mit der eine Kamera Bilder aufnimmt und überträgt.
Darstellung:Die Bildrate gilt typischerweise für Flächenscan-Industriekameras und wird in fps (Frames Per Second) gemessen. Beispielsweise bedeutet 181 fps, dass die Kamera bis zu 181 Bilder pro Sekunde erfassen kann. Die Zeilenrate gilt für industrielle Zeilenkameras und wird in kHz gemessen. 80 kHz bedeutet beispielsweise, dass die Kamera bis zu 80.000 Zeilen Bilddaten pro Sekunde erfassen kann.
Auswirkungen:Höhere Bildraten/Zeilenfrequenzen ermöglichen es Kameras, mehr Bilder pro Zeiteinheit aufzunehmen, wodurch sie sich für Szenarien eignen, die eine schnelle Bewegungserfassung erfordern.
Berechnungsmethode:Bildrate=3 × Zielgeschwindigkeit / horizontales Sichtfeld; Zeilenfrequenz=Bewegungsgeschwindigkeit / tatsächliche Genauigkeit=Bewegungsgeschwindigkeit × Auflösung / Sichtfeld.
Bestimmen Sie die erforderliche Bildrate anhand der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts im Anwendungsszenario. Unter der Annahme der Objektgeschwindigkeit V (Einheit: mm/s) und der Kamerabelichtungszeit T (Einheit: s), wobei die Verschiebung des Objekts während der Belichtung eine Pixelgröße P (Einheit: mm) nicht überschreiten darf, kann die Bildrate F betragenberechnet als:F=1/T, wobei T kleiner oder gleich P/V ist.
(4) Belichtungsmethode und Verschlusszeit
Belichtungsmodus:Bei Zeilenkameras ist die progressive Scan-Belichtung typisch. Flächenscankameras verwenden üblicherweise Einzelbildbelichtung, Feldbelichtung oder Rolling-Shutter-Belichtung.
Verschlusszeit:In der Regel ist eine Zeitspanne von bis zu 10 Mikrosekunden erreichbar, wobei Hochgeschwindigkeitskameras sogar noch schnellere Geschwindigkeiten ermöglichen. Kürzere Verschlusszeiten verbessern die Fähigkeit der Kamera, Bilder aufzunehmen, sodass sie sich für Szenarien mit sich schnell ändernden Lichtverhältnissen oder sich bewegenden Motiven eignet.
(5) Pixelgröße (Pixelgröße)
Definition:Ein Pixel ist die kleinste Einheit, aus der ein digitales Bild besteht. Pixelgröße und Pixelanzahl (Auflösung) bestimmen gemeinsam die Größe des Zielbereichs der Kamera.
Gemeinsame Werte:Die Pixelgrößen von Industriekameras liegen typischerweise zwischen 3 μm und 14 μm.
Auswirkungen:Größere Pixel fangen mehr Photonen ein, erzeugen bei gleichen Licht- und Belichtungsbedingungen eine höhere Ladung und führen möglicherweise zu einer höheren Bildqualität. Kleinere Pixelgrößen erhöhen jedoch die Komplexität der Herstellung.
Berechnung:Hängt von der Auflösung und den Abmessungen des Kamerasensors ab. Bei einer Sensorgröße von Sa × Sb (horizontale × vertikale Abmessungen in mm) und einer Kameraauflösung von Na × Nb beträgt die Pixelgröße P (unter der Annahme quadratischer Pixel) beispielsweise: P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb.
(6) Spektralbereich
Definition:Bezieht sich auf die Empfindlichkeitseigenschaften des Pixelsensors gegenüber verschiedenen Lichtwellenlängen.
Gemeinsamer Bereich:Reagiert typischerweise zwischen 350 nm und 1000 nm. Einige Kameras verfügen über einen Filter vor dem Sensor, der Infrarotlicht blockiert. Wenn für das System eine Infrarotempfindlichkeit erforderlich ist, kann dieser Filter entfernt werden.
(7) Schnittstellentyp
Häufige Typen:Camera Link, Ethernet, 1394, USB-Ausgang usw. Die neueste Schnittstelle ist CoaXPress.
Auswirkungen:Der Schnittstellentyp bestimmt, wie Daten zwischen der Kamera und Bildverarbeitungssystemen oder anderen Geräten übertragen werden. Durch die Wahl der passenden Schnittstelle wird eine stabile und schnelle Datenübertragung gewährleistet.
(8) Sensorgröße
Definition:Die physischen Abmessungen des Kamerasensors, normalerweise ausgedrückt in Zoll (z. B. 1/2,3 Zoll) oder Millimetern (z. B. 12,8 mm × 9,6 mm).
Berechnungsmethode:
Die Sensorgröße wird normalerweise vom Hersteller angegeben, kann aber anhand der Pixelabmessungen und der Auflösung geschätzt werden:
Sensorbreite=Horizontale Pixelanzahl × Pixelgröße
Sensorhöhe=Vertikale Pixelanzahl × Pixelgröße
(9) Andere Parameter
Dynamikbereich:Beschreibt die Anzahl der Graustufen, die jedes Pixel unterscheiden kann. Der große Dynamikbereich ermöglicht die klare Erfassung von Details sowohl in hellen als auch in dunklen Bereichen einer Szene.
Lärm:Während der Bildgebung erfasste unerwünschte Signale, die nichts mit dem eigentlichen Bildziel zu tun haben. Gemäß dem EMVA1288-Standard der European Machine Vision Association (EMVA) wird Kamerarauschen grob in zwei Arten eingeteilt: Schrotrauschen, das vom effektiven Signal abgeleitet wird, und inhärentes Rauschen, das der Kamera selbst eigen ist und unabhängig vom Signal ist.
5. Anwendungsgebiete und Vorteile
Industriekameras werden häufig in der Qualitätskontrolle an automatisierten Produktionslinien, Bildverarbeitungssystemen, medizinischer Bildgebung, Logistik und Lagerhaltung, Sicherheitsüberwachung, Verkehrsüberwachung sowie Militär- und Luftfahrtanwendungen eingesetzt. Zu ihren Vorteilen gehören:
Hohe Leistung und Stabilität:Industriekameras bieten eine hohe Bildstabilität, robuste Übertragungsfähigkeiten und eine hohe Störfestigkeit und ermöglichen so einen längeren, stabilen Betrieb unter rauen Bedingungen.
Hohe Präzision und Messfähigkeiten:Durch hochauflösende Bilderfassung und präzise Bildanalysealgorithmen erreichen Industriekameras eine hohe{1}Genauigkeit bei der Messung und Positionierung.
Hochgeschwindigkeits-Erfassungsfunktionen:Industriekameras mit hoher{0}Bildfrequenz-erfassen schnell dynamische Bilder und eignen sich daher zum Fotografieren und Überwachen von sich schnell bewegenden Objekten.
Große Anpassungsfähigkeit:Verschiedene Industriekameratypen decken vielfältige Einsatzszenarien und Anforderungen ab und erfüllen komplexe Bildgebungs- und Analyseaufgaben.
6. Renommierte Marken
Zu den weltweit führenden Industriekameramarken gehören Cognex, Keyence, Teledyne DALSA aus Kanada, FLIR, Lumennera, AVALDATA aus Japan, VIEWORKS aus Südkorea, Daheng Imaging und Hikvision. Diese Marken genießen hohes Ansehen für ihre außergewöhnliche Leistung und ihr breites Anwendungsspektrum.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Industriekameras als wichtige Komponenten in Bildverarbeitungssystemen dienen und eine entscheidende Rolle in der industriellen Automatisierung und intelligenten Fertigung spielen. Durch die Auswahl geeigneter Industriekameras und die Integration fortschrittlicher Bildanalysealgorithmen kann eine effizientere, präzisere und zuverlässigere automatisierte Produktions- und Qualitätskontrolle erreicht werden.