Выбор камеры: как подобрать камеру для системы обработки изображений?

Запутались в многочисленных функциях?

Если перед вами стоит задача проектирования системы обработки изображений, вы рискуете потеряться в бесконечном выборе моделей, технических характеристик, полезных функций и возможностей применения камер.

Вам нужен кто-то, кто поможет сделать выбор. Кто не даст потеряться в ошеломляющем количестве предложений, укажет путь к принятию правильных решений и подскажет, как подобрать подходящую камеру для вашей системы машинного зрения.

Мы предлагаем руководство, в котором подробно рассматриваются все критерии выбора камеры. Оно поможет шаг за шагом принимать правильные решения, чтобы выбрать самую лучшую камеру, соответствующую всем вашим требованиям.

Начните с объективного самостоятельного анализа. Задайте себе два вопроса:

Что требуется снимать камерой?
Какими характеристиками должна обладать камера для такой съемки?

Ответа на этот вопрос обычно достаточно, чтобы определиться, в каком из двух основных направлений двигаться дальше:

Сетевые камеры

Промышленные камеры

Решение 1. Сетевая или промышленная камера?

Камеры для систем обработки изображений подразделяются на промышленные камеры (камеры машинного зрения) и сетевые камеры (IP-камеры).

Сетевые камеры предназначены для видеосъемки. Они часто используются для решения классических задач видеонаблюдения, а также в сочетании с промышленными камерами. Типичные характеристики сетевых камер:

Как правило, сетевая камера помещается в надежный корпус, устойчивый к ударам и защищающий от неблагоприятных погодных условий, поэтому такие камеры одинаково пригодны для эксплуатации как внутри, так и вне помещений.
В сетевых камерах предусмотрено множество функций для получения изображений превосходного качества даже при чрезвычайно слабом освещении и в плохих погодных условиях. К таким функциям относятся, например, дневной/ночной режим и специальные инфракрасные фильтры.
Сетевые камеры сжимают записанные изображения. В результате объем данных уменьшается настолько, что изображения могут храниться на камере. В случае подключения по сети неограниченное количество пользователей теоретически могут одновременно получить доступ к камере.

Типичные характеристики промышленных камер:

Промышленные камеры, напротив, передают несжатые изображения (необработанные данные в формате RAW) непосредственно на ПК, где и осуществляется обработка относительно больших объемов данных. Преимущество этого подхода состоит в отсутствии потерь информации.
В зависимости от технологии установленного сенсора, промышленные камеры делятся на матричные и линейные. Их основное различие состоит в способе получения изображения, который выбирается с учетом поставленной задачи.

Экскурс. Способы получения изображения матричными и линейными камерами

Матричные камеры

оснащены прямоугольным сенсором, содержащим множество строк пикселей, которые подвергаются экспозиции одновременно. Таким образом, запись данных изображения осуществляется в один прием, так же, как и их обработка.
обычно используются для решения различных задач в промышленности, в медицине и биологических науках, в дорожно-транспортной отрасли и в обеспечении безопасности и видеонаблюдении, нередко как дополнение к сетевым камерам.

Линейные камеры

в отличие от матричных оснащены сенсором, содержащим всего одну, две или три строки пикселей. Захват данных изображения осуществляется строка за строкой, после чего на этапе обработки из отдельных строк восстанавливается полное изображение. Ответ на вопрос о том, матричную или линейную камеру следует выбрать, зависит от области применения камеры и предъявляемых к ней требований.
используются повсеместно в целях контроля качества продукции в процессе ее перемещения на конвейере – порой на очень высокой скорости. Линейные камеры часто находят применение в таких отраслях, как полиграфия, сортировка и упаковка, пищевая промышленность, а также в контроле качества поверхностей.

Сетевые камеры

используются для решения различных задач видеонаблюдения, в том числе для контроля процессов на линиях отгрузки и в системах упаковки, а также в системах видеонаблюдения в зданиях и системах контроля дорожного движения.
устанавливаются в банках и казино, в коммерческих и общественных зданиях и помещениях, а также в логистических и транспортных терминалах, включая порты и центры грузооборота.

Решение 2. Монохромная или цветная камера?

Ответить на этот вопрос относительно просто, надо только определиться, какое изображение необходимо для решения поставленной задачи, – оно должно быть цветным для оценки требуемой характеристики, или достаточно черно-белого? Если цвет не является обязательным условием, то рекомендуется остановить свой выбор на монохромной камере, тем более что монохромные камеры отличаются более высокой чувствительностью и позволяют получать более резкие и четкие изображения. Кроме того, во многих областях, например в интеллектуальных транспортных системах, монохромные и цветные камеры часто применяются в комбинации в целях обеспечения соблюдения определенных законодательных требований, предъявляемых в конкретной стране к фотографиям, используемым в качестве доказательств.

Решение 3. Типы сенсоров, исполнение затвора, кадровая частота

На следующем этапе выбираем подходящий сенсор (на базе технологии КМОП или ПЗC) и тип затвора (глобальный или скользящий). Затем необходимо подобрать частоту кадров, то есть количество изображений, которое камера должна снять в секунду для решения поставленной задачи.

Типы сенсоров

Экскурс. ПЗC или КМОП?

Фундаментальное различие между этими двумя технологиями сенсоров заключается в их технической конструкции.

В сенсорах на базе технологии КМОП преобразование лучей света (а именно фотонов) в электронные сигналы (электроны) осуществляется с помощью электронных схем, интегрированных непосредственно в поверхность сенсора. Эти сенсоры отличаются высоким быстродействием, поскольку с них быстрее считываются данные изображения, а кроме того, они предоставляют пользователю гибкие возможности работы с набором изображений. КМОП-сенсоры широко распространены в потребительском сегменте рынка, например, представляют собой стандартную технологию для зеркальных фотоаппаратов.

В ПЗС-сенсорах все пиксели участвуют в преобразовании фотонов, то есть на его поверхности отсутствуют какие-либо электронные схемы. Благодаря этому на поверхности сенсора можно разместить больше пикселей, что, в свою очередь, означает возможность захвата большего количества фотонов. Таким образом, сенсоры этого типа отличаются повышенной светочувствительностью, что является их основным преимуществом для применения в условиях низкой освещенности, например в астрономии. ПЗС-сенсоры обеспечивают превосходное качество изображения в областях, где не требуется высокая скорость съемки, хотя они уже практически достигли максимума своего быстродействия, что обусловлено их архитектурой и способом передачи и обработки данных изображения.

На протяжении многих лет технология КМОП была настолько усовершенствована, что сегодня сенсоры на ее основе подходят для решения практически любых задач обработки изображений. Преимущества КМОП-сенсоров:

выгодное соотношение цены и технических характеристик,
высокая скорость съемки,
высокое разрешение,
низкое энергопотребление,
высокая квантовая эффективность.

Эти характеристики помогли КМОП-сенсорам прочно занять ниши, в которых ранее доминировали ПЗС-сенсоры. Особенно сильный коммерческий аргумент в пользу современного поколения КМОП-сенсоров – это высокая скорость съемки при отсутствии потерь качества изображения.

Матричный КМОП-сенсор и ПЗС-сенсор

Типы затвора

Одно простое, но решающее условие: тип затвора следует выбирать с учетом задачи, которую решает камера. Затвор препятствует попаданию света на сенсор камеры и открывается только на время экспозиции. Заданная длительность экспозиции определяет правильное «дозирование» света и указывает на то, как долго затвор остается открытым. Разница между глобальным и скользящим затвором заключается в том, как они обеспечивают экспозицию.

Экскурс. Как устроены глобальный затвор и скользящий затвор?

Глобальный затвор полностью открывается, чтобы свет попал на всю поверхность сенсора. В зависимости от кадровой частоты, съемка движущегося объекта осуществляется в виде быстрой смены кадров. Глобальный затвор станет оптимальным выбором в тех областях, где требуется снимать быстродвижущиеся объекты, например дорожно-транспортная отрасль, логистика, а также контроль качества печатных материалов.

Скользящий затвор обеспечивает построчную экспозицию матрицы. В зависимости от заданной длительности экспозиции, на изображении могут возникать искажения в случае перемещения объекта в то время, когда затвор открыт, – так называемый, «эффект плавающего затвора». Однако это не означает, что следует отказаться от скользящего затвора только потому, что объекты съемки движутся. Во многих случаях «эффект плавающего затвора» можно предупредить за счет правильной настройки длительности экспозиции в сочетании с использованием внешней вспышки.

Глобальный затвор и скользящий затвор: функциональные возможности и характеристики двух способов экспозиции.

При работе скользящего затвора экспозиция отдельных строк пикселей начинается и заканчивается не одновременно, а последовательно. На рисунке показано, как осуществляется последовательная экспозиция отдельных строк кадра.

Для получения дополнительной информации о типах затвора см. технический документ
Глобальный затвор и скользящий затвор: функциональные возможности и характеристики двух способов экспозиции.

Кадровая частота

Выражается в кадрах в секунду и часто обозначается «кадр/с». В случае линейных камер используется термин «частота строчного сканирования». Этот термин означает количество кадров, которые сенсор может отснять и передать за одну секунду.

Чем выше кадровая частота, тем выше быстродействие сенсора. => Чем выше быстродействие сенсора, тем больше кадров он может отснять за секунду. => Чем больше кадров, тем больше объем данных.

В случае быстродвижущихся объектов, как, например, в процессе контроля качества печатных изображений в типографии, где газеты перемещаются под камерой с очень высокой скоростью, частота срабатывания затвора камеры должна составлять буквально миллисекунды.

Это значение очень далеко от требуемого для решения некоторых задач визуального контроля в медицинской и промышленной микроскопии, где обычно достаточно низкой кадровой частоты.

В случае матричных камер объемы передаваемых данных могут сильно различаться в зависимости от используемого интерфейса и скорости съемки – более низкой (10 кадр/с) или более высокой (340 кадр/с). Точное значение кадровой частоты, с которой возможно или даже необходимо вести съемку, зависит от того, что именно предполагается снимать камерой в составе системы обработки изображений.

Решение 4. Разрешение, сенсор и размеры пикселя

Разрешение

Допустим, в технических характеристиках камеры указано 2048x1088. Что именно имеется в виду?

Эти числа означают количество пикселей в строке, в данном случае – 2048 пикселей по горизонтали и 1088 пикселей по вертикали. Если их перемножить, получим разрешение 2 228 224 пикселей, или 2,2 мегапикселя, то есть 2,2 миллиона пикселей (сокращенно – Мп).

Чтобы определить, какое разрешение требуется для решения конкретной задачи, необходимо выполнить простые математические расчеты:

Разрешение = (Размер объекта) / (Размер рассматриваемой детали объекта)

Экскурс. Как определить необходимое разрешение?

Предположим, требуется получить точный снимок цвета глаз человека ростом примерно 2 м, стоящего в конкретном месте:

Разрешение = (рост человека)/(участок глаза) = (2 м)/(1 мм) = 2.000 пикс (x;y) = 4 Mп

= > Для четкого различения на изображении объекта размером 1 мм потребуется разрешение 4 Мп.

Экскурс. Как определить необходимое разрешение?

Сенсор и размеры пикселя

Факт № 1.
Начнем с простого. Чем больше поверхность самого сенсора и отдельных пикселей, тем больше света попадает на него во время экспозиции. Свет преобразуется в сигналы, которые используются сенсором для создания и обработки данных изображения. Пока что все просто, но пойдем дальше. Чем больше эта площадь, тем выше соотношение «сигнал – шум», что в особенности касается пикселей большого размера – 3,5 мкм и больше. Более высокое соотношение «сигнал – шум» подразумевает более высокое качество изображения. Значение 42 дБ считается хорошим результатом.

Факт № 2.
Большой сенсор вмещает большее количество пикселей, а значит, обеспечивает более высокое разрешение. Реальное преимущество состоит в том, что отдельные пиксели при этом будут достаточно большого размера, чтобы обеспечить высокое соотношение «сигнал – шум», в отличие от сенсоров меньшего размера и, следовательно, меньшей площади, для которых необходимы пиксели меньшего размера.

Факт № 3.
И все же, даже большой сенсор с большим количеством пикселей большого размера сможет обеспечить высокое качество изображения только при условии использования надлежащей оптической системы. Его потенциал будет полностью реализован только в случае выбора подходящего объектива, способного передать такое высокое разрешение.

Факт № 4.
Сенсоры большого размера всегда будут более дорогостоящими, поскольку чем больше площадь, тем больше кремния требуется для их изготовления.

Решение 5. Типы интерфейса и размеры корпуса

Интерфейс

Интерфейс представляет собой связующее звено между камерой и ПК, по которому осуществляется передача изображений с сенсора камеры (аппаратное обеспечение) на компоненты, которые отвечают за обработку изображений (программное обеспечение). Чтобы выбрать подходящий интерфейс для конкретной системы машинного зрения, необходимо взвесить множество факторов и подобрать оптимальное сочетание производительности, стоимости и надежности.

В зависимости от существующих требований, можно выбрать интерфейс Camera Link, либо GigE, либо USB 3.0 – смотря какой из них предлагает оптимальный набор характеристик для быстрой, надежной и безопасной передачи изображений с камеры на ПК.

Экскурс. Типы интерфейса и соответствующие стандарты

GigE Vision, USB3 Vision и Camera Link – современные, широко распространенные стандарты, которые гарантируют совместимость между интерфейсом камеры и различными компонентами и аксессуарами, соответствующими этим стандартам. Каждая технология отвечает определенным требованиям, например в отношении пропускной способности, объединения в системе нескольких камер или длины кабеля.

FireWire и USB 2.0 представляют собой устаревающие технологии, которые ввиду их ограничений более не рекомендуются для современных систем обработки изображений.

Сравнение интерфейсов

Не уверены, какой тип интерфейса лучше всего подойдет для вашей системы?

Средство выбора интерфейса поможет сделать правильный выбор.

Хотите узнать все плюсы и минусы различных типов интерфейса?

Загрузите технический документ Сравнение наиболее распространенных технологий цифровых интерфейсов в промышленных системах машинного зрения

Корпус

Выбранным интерфейсом непосредственно определяется размер корпуса камеры. Это важно с точки зрения интеграции камеры в систему машинного зрения. Когда в системе необходимо одновременно установить несколько камер (такие системы называются многокамерными), чтобы, например, осуществлять съемку рулонного материала по всей ширине, дорог каждый миллиметр пространства.

Размер имеет значение, особенно в случае многокамерных систем.

Basler предлагает широкий ассортимент камер, от миниатюрных моделей с габаритами 29 мм х 29 мм (камеры серии Basler ace) и до отдельных крупногабаритных линейных камер с большими сенсорами, таких как модели серии Basler sprint.

Решение 6. Важные функции камеры

Все камеры Basler оснащены набором функций, которые позволяют повысить качество изображения, более эффективно анализировать данные или управлять процессами с большей точностью. В сравнительном списке функций приведен полный перечень всех функций каждой модели камеры.

При проектировании системы обработки изображений вас могут заинтересовать следующие три функции:

Активная зона (AOI)

Возможность выбора одной или нескольких зон в кадре, представляющих особый интерес (активных зон). Преимущество здесь заключается в том, что выполняется обработка только тех областей кадра, которые имеют значение с точки зрения анализа изображения, благодаря чему ускоряется считывание данных с камеры.

Функции автоматической настройки

В камерах Basler предусмотрен целый ряд так называемых функций автоматической настройки, включая автоматическую регулировку длительности экспозиции и коэффициента усиления. За счет автоматической корректировки параметров экспозиции и коэффициента усиления в соответствии с меняющимися внешними условиями яркость изображения поддерживается на постоянном уровне.

Серийная съемка

Функция серийной съемки позволяет снимать последовательность изображений с различными параметрами. Это означает, что можно, например, определить несколько активных зон и задать их дальнейшее последовательное считывание в автоматическом режиме.

Виден свет в конце тоннеля?

Почти! Вы уже разобрались в многообразии критериев и компонентов, изучили все вопросы и приняли верное решение на каждом из этапов выбора. Теперь остался последний важный шаг: найти подходящую камеру.

Средство выбора камеры

Не стоит беспокоиться! Средство выбора камеры Basler поможет подобрать матричную, линейную или сетевую камеру, точно удовлетворяющую вашим требованиям.

Средство выбора камеры