Выбор камеры: как подобрать камеру для системы обработки изображений?

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.

• 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.

• 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.

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

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.

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.

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.