Hogyan válasszunk gépi látáshoz kamerát: felbontás, szenzor, interfész és ár

Röviden: A gépi látó kamera kiválasztását a feladattal kell kezdeni, nem a katalógussal. Először határozza meg a látómezőt és a legkisebb észlelendő részletet, majd ezekből számítsa ki a szükséges felbontást. Ezután válassza ki a szenzort (monokróm vagy színes, global vagy rolling shutter), ellenőrizze, hogy a képkockasebesség lépést tart-e a gyártósorral, és válasszon a kábelhosszhoz és az adatmennyiséghez illő interfészt. Az ár a végére marad – és azt a teljes gépi látó rendszer részeként érdemes megítélni, nem önmagában.

Mi az a gépi látó kamera?

A gépi látó kamera olyan ipari kamera, amely nem emberi megtekintésre, hanem szoftveres elemzésre készít képeket. A képadatot számítógépnek, vezérlőegységnek vagy beágyazott processzornak továbbítja, ahol a szoftver dönt: megfelel-e az alkatrész, mekkora egy méret, vagy mi áll egy kódon.

Ha most ismerkedik a témával, a gépi látásról szóló gyakorlati útmutatónk bemutatja, hogyan működik együtt a kamera, az optika, a megvilágítás és a szoftver egyetlen rendszerként.

Mi a különbség az ipari kamera és a hagyományos kamera között?

A hagyományos fényképezőgép esztétikus képet készít az embernek. Az ipari kamera feladata ezzel szemben az, hogy a gyártósoron minden alkalommal egyforma, mérhető képet adjon.

Hogyan válasszunk gépi látó kamerát? 7 lépéses ellenőrzőlista

Arra a kérdésre, hogyan válasszunk ipari kamerát, a legmegbízhatóbb válasz egy kötött sorrend. Minden lépés leszűkíti a következő lépés lehetőségeit.

1. Határozza meg a feladatot. Jelenlét-ellenőrzés, méretmérés, hibadetektálás vagy kódolvasás – mindegyik más követelményt támaszt.
2. Mérje meg a látómezőt. Mekkora területet kell a kamerának látnia?
3. Határozza meg a legkisebb részletet. A legkisebb hibát, rést vagy karaktert, amelyet megbízhatóan észlelni kell.
4. Számítsa ki a felbontást ebből a két értékből (lásd a következő fejezeteket).
5. Válassza ki a szenzort: monokróm vagy színes, global vagy rolling shutter, szenzor- és pixelméret.
6. Ellenőrizze a sebességet és az interfészt: képkockasebesség, adatátviteli sebesség, kábelhossz.
7. Mérje fel a teljes költséget: kamera, objektív, megvilágítás, szoftver és integráció.

Gyakori hiba a 7. lépéssel kezdeni, és a kereten belül a lehető legnagyobb felbontású kamerát megvenni. Ez több adatot és költséget jelent, jobb eredményt viszont nem feltétlenül.

Milyen kameratípusra van szükség?

Mielőtt kamerát választana gépi látáshoz, döntse el, melyik típus illik a feladathoz. A legtöbb vizsgálathoz ipari (area scan) kamera kell, amely egyetlen expozícióval teljes, kétdimenziós képet rögzít. A többi típus egy-egy speciális problémát old meg:

Az első kettő közötti döntéshez az area scan és line scan kamerák összehasonlítása ad részletes segítséget. Az all-in-one eszközökről a mi az az intelligens kamera cikkünk szól, a mélységméréshez pedig a 3D gépi látás kameratípusairól szóló áttekintés. Az útmutató további része az ipari (area scan) kamerákra fókuszál.

Hogyan számítsuk ki a kamera felbontását gépi látáshoz?

A szükséges felbontás két értékből következik: a látómezőből és a legkisebb észlelendő részletből. Ha a látómezőt elosztja azzal a mérettel, amelyet egy pixel lefedhet, megkapja a képen szükséges minimális pixelszámot.

Fontos fogalmak:

• Látómező (FOV): a kamera által leképezett terület mérete milliméterben.
• Legkisebb részlet: a legkisebb jellemző, amelyet a rendszernek megbízhatóan észlelnie vagy mérnie kell.
• Pixel/részlet: hány pixel fedje le ezt a részletet.
• Térbeli felbontás: egy pixelre eső valós méret (mm/pixel).

A számítás két lépésből áll, ahogy azt az 1stVision felbontásról szóló útmutatója is bemutatja:

1. Térbeli felbontás = legkisebb részlet ÷ pixel/részlet
2. Képfelbontás = látómező ÷ térbeli felbontás

Egy él megtalálásához kiváló kontraszt mellett legalább 2 pixel kell; a stabil működéshez érdemes 3–4 pixellel számolni a részlet mentén.

Példa: 0,25 mm-es furat vizsgálata 40 mm-es látómezőben, 4 pixellel a furat mentén.

• Térbeli felbontás = 0,25 mm ÷ 4 = 0,0625 mm/pixel
• Képfelbontás = 40 mm ÷ 0,0625 mm = 640 pixel

A kamerának tehát legalább 640 pixelre van szüksége ebben az irányban, így egy 640 × 480-as (VGA) szenzor megfelel. A számítást a másik tengelyre is el kell végezni.

Az eredményt minimumként kezelje: feltételezi, hogy az objektív felbontja a részletet, a megvilágítás pedig erős kontrasztot ad. Ezt az oldalt az objektív és megvilágítás kiválasztásáról szóló útmutatónk tárgyalja.

Milyen szenzort válasszunk?

A legtöbb új gépi látó projektnél a jó kiindulópont a global shutteres CMOS szenzor, monokróm változatban – hacsak a szín nem része a vizsgálatnak. Az alábbiak azt mutatják meg, mikor érdemes ettől eltérni.

CMOS vagy CCD?

A CMOS mára nagyrészt behozta a CCD előnyét. Az Edmund Optics szerint a csúcskategóriás CMOS szenzorok sok alkalmazásban felülmúlják a hasonló CCD-ket, kisebb energiafogyasztás mellett. A CCD továbbra is nagy egyenletességet kínál, az alsó kategóriás, nagyon kis pixelméretű CMOS szenzorok képminősége viszont gyengébb.

Global shutter vagy rolling shutter?

• Global shutter: az összes pixel egyszerre exponál.
• Rolling shutter: a szenzor soronként exponál és olvas ki, így minden sor kissé eltérő időpontban rögzül.

Mozgó gyártósoron a rolling shutter torzíthatja a gyorsan haladó alkatrészek alakját. Mozgó tárgyakhoz global shuttert válasszon; rolling shutter álló vagy lassú jelenetekhez elfogadható, illetve akkor, ha az expozícióhoz időzített villanófényt használ.

Monokróm vagy színes kamera?

Válasszon monokróm kamerát, hacsak a vizsgálat nem a színen alapul. A monokróm szenzor nagyobb tényleges felbontást ad, mint egy hasonló egychipes színes szenzor, emellett jobb a jel-zaj viszonya, a kontrasztja és a gyenge fényben mutatott érzékenysége. Az egychipes színes szenzorok jellemzően Bayer-szűrőt használnak, ezért a színinformációt szoftveresen kell visszaállítani.

Színes kamera akkor kell, ha maga a feladat a színről szól: árnyalat szerinti válogatás, színkódolt alkatrészek ellenőrzése vagy nyomatellenőrzés.

Számít a szenzor- és a pixelméret?

Igen. A nagyobb pixel több fényt gyűjt, ami gyors gyártósoron, rövid expozíciónál előny. A szenzorméretnek az objektívhez is illeszkednie kell: az objektívnek sötét sarkok nélkül kell lefednie a teljes szenzort.

A különböző gyártók szenzorainak tisztességes összehasonlításához keressen EMVA 1288 szerint mért adatokat. Ez az Európai Gépi Látás Szövetség (EMVA) szabványa a kamerák és képérzékelők jellemzőinek méréséről és közléséről.

Egyes feladatokhoz a látható tartományon kívül érzékelő szenzor kell. A rövidhullámú infravörös (SWIR) kamerák, például az MV-CI050-Y1S-NN, olyan részleteket is láthatóvá tehetnek, amelyeket egy hagyományos szenzor nem rögzít.

Milyen gyors kamerára van szükség?

A képkockasebességnek a gyártósor ütemével kell lépést tartania, a feldolgozáshoz szükséges tartalékkal együtt. Szorozza meg a másodpercenkénti darabszámot az egy darabra jutó képek számával, és ellenőrizze, hogy a kamera és az interfész a kiválasztott felbontáson tartósan bírja-e ezt az ütemet.

Az expozíciós idő is számít: ha az alkatrész expozíció közben elmozdul, a kép elmosódik, a rövidebb expozícióhoz pedig több fény kell.

Melyik interfészt válasszuk: GigE, USB3, CoaXPress vagy Camera Link?

A legtöbb gyári telepítésnél a GigE a praktikus alapválasztás, mert framegrabber nélkül is hosszú kábeleket tesz lehetővé. Az USB3 rövid, kompakt elrendezésekhez illik, a CoaXPress és a Camera Link pedig nagy sávszélességet igénylő feladatokhoz.

Forrás: Edmund Optics, kameratípusok és interfészek gépi látáshoz (fent hivatkozva).

Mikor melyiket:

• GigE / 10GigE: ha a kamera messze van a számítógéptől, vagy több kamera osztozik egy hálózaton. Egyes GigE kamerák Power over Ethernet (PoE) tápellátást is támogatnak.
• USB3: rövid távolság, egyszerű, egykamerás állomás.
• CoaXPress: nagy felbontású vagy nagy sebességű kamerák, amelyeknek hosszú kábelen is a legnagyobb sávszélesség kell.
• Camera Link: főként meglévő, erre épülő rendszerek; a tápellátást külön kell biztosítani.

Mennyibe kerül egy gépi látó kamera?

A kamera ára elsősorban a felbontástól, a képkockasebességtől, a szenzortípustól és az interfésztől függ – és a kamera rendszerint csak egy része a rendszer költségvetésének. Egy nagyobb felbontású vagy gyorsabb kamera több adatot termel, ami gyorsabb interfészt, framegrabbert vagy erősebb számítógépet tehet szükségessé.

A költségvetésbe számolja bele:

• az objektívet és a megvilágítást;
• a kábeleket, rögzítéseket és szükség esetén a framegrabbert;
• a gépi látó szoftvert, például a VisionMaster platformot;
• az integrációt, a tesztelést és az üzembe helyezést.

Nem a kameraárakat érdemes egymással összevetni, hanem a teljes rendszer költségét azzal az értékkel, amelyet termel. A gépi látás megtérüléséről (ROI) szóló útmutatónk megmutatja, hogyan számítható ki a megtérülési idő.

Melyik a legjobb ipari kamera gépi látáshoz?

Nincs egyetlen legjobb gépi látó kamera. A legjobb az a kamera, amely biztonsági tartalékkal teljesíti a felbontási, sebességi és interfész-követelményeket – anélkül, hogy olyan képességért fizetne, amelyet nem használ ki.

Ezért a jó válasz nem egy konkrét modell, hanem egy jól lefedett kínálat. A Hikrobot ipari kamerák például 0,3 és 604 megapixel közötti felbontást kínálnak GigE, 10GigE, USB 3.0, Camera Link és CoaXPress interfésszel, így a kamerát a feladathoz lehet igazítani, nem fordítva. Folyamatos anyagok vizsgálatánál ugyanez a választás a vonalszkenner kamerák között zajlik.

Hogyan helyezzük üzembe a kiválasztott kamerát?

A kamera kiválasztása csak a munka fele – az eredmény a beállításon múlik. Ennek gyakorlati lépései:

1. Rögzítse a kamerát mereven, a tervezett munkatávolságban.
2. Szerelje fel az objektívet, és állítsa be az élességet és a rekeszt az alkatrész teljes mélységére.
3. Úgy tervezze meg a megvilágítást, hogy a vizsgált részlet a lehető legnagyobb kontrasztot adja.
4. Kösse be a triggert, hogy minden kép szinkronban legyen az alkatrésszel és a fénnyel.
5. Élesítés előtt validálja a rendszert valódi jó és hibás darabokkal.

Egy jól beállított kamera mérhetően csökkenti a hibák számát és javítja a minőségellenőrzést. Az ELVOTEC hivatalos Hikrobot-forgalmazóként segít a magyarországi és a régióbeli gyártóknak a megfelelő kamera kiválasztásában és integrálásában – vegye fel velünk a kapcsolatot, és beszéljük át az alkalmazását.