Наиболее эффективные методы сравнения современных КМОП-камер

Практически каждую модель сенсора можно найти в камерах различных производителей.

Можно ли считать камеры сопоставимыми, если сенсоры одинаковы? На какие характеристики следует обращать внимание пользователям, разработчикам и исполнителям проектов при выборе камеры? Это решение в первую очередь зависит от стоящих перед камерой задач и предъявляемых к ней требований.

Важность характеристик EMVA

Мерцающие пиксели: пример артефакта изображения, легко различимого невооруженным глазом.

Разумеется, вопрос о том, какие критерии определяют выбор камеры для решения тех или иных задач, возникал неоднократно, и попытки ответить на него были предприняты Европейской Ассоциацией Машинного Зрения (European Machine Vision Association — EMVA). Результатом стала разработка стандарта EMVA 1288. В этом стандарте описаны характеристики, которые определяют качество изображения и чувствительность промышленной камеры или сенсора такой камеры.

Сравнение характеристик EMVA различных камер представляет собой важный этап выбора подходящей камеры. Только характеристики EMVA помогут понять пределы возможностей камеры и определить, подходит ли она для решения определенной задачи.

Тем не менее, характеристики по стандарту EMVA не всегда позволяют выявить все проблемы, связанные с конструкцией сенсора. Примером тому может служить так называемая линия затвора — артефакт изображения. Подобные артефакты различимы невооруженным глазом, однако никак не отражаются на значениях EMVA. Другой пример — возникающие время от времени искажения, такие как дефектные или мерцающие пиксели.

В данном случае гораздо больше информации можно получить с помощью обширных испытаний тестовой модели камеры. В ходе таких испытаний важно как можно более тщательно проверить, как ведет себя камера в различных условиях, приближенных к предполагаемым условиям съемки. Следует помнить, что не все алгоритмы позволяют одинаково выявлять различные недостатки качества изображения. В каждом случае рекомендуется ориентироваться на общепринятый стандарт качества изображения, который обычно предлагается только крупными и зарекомендовавшими себя производителями. Такой подход поможет сэкономить время, которое в противном случае вы потратите на тестирование и утомительную оптимизацию системы.

Обратите внимание на габариты, производительность аппаратных компонентов и функции камеры.

К характеристикам камеры, не описанным стандартом EMVA, также относятся такие очевидные, как, помимо прочих, габариты камеры и выбранные производителем аппаратные компоненты, включая их восприимчивость к изменению условий окружающей среды, в особенности к температурным колебаниям и электромагнитным помехам. Эти критерии могут оказаться решающими, даже если кажется, что камера подходит для вашей системы по характеристикам EMVA.

Габариты камеры

Одинаковые сенсоры в корпусах с различными габаритами

Камеры совершенно разных габаритов могут оснащаться одинаковыми сенсорами. Несмотря на то, что корпус 29 x 29 мм и крепление C-mount можно фактически назвать стандартом для сенсоров формата до 2/3", а в некоторых случаях и 1", на рынке систем машинного зрения также предлагаются камеры с КМОП-сенсорами меньшего формата в корпусе еще меньшего размера и даже в бескорпусном исполнении (только промышленные камеры без корпуса, реализованные на плате). Меньшие габариты дают возможность экономии места в архитектуре системы. Однако, поскольку также необходимо учитывать энергопотребление и тепловыделение, самая маленькая камера не всегда оказывается наиболее подходящей. В случае стандартных задач автоматизации производства именно эти факторы оказываются наиболее важными. При этом в других направлениях, например в производстве медицинского оборудования, габариты корпуса должны отвечать промышленным стандартам. Тактильные качества и привлекательный дизайн могут стать решающими факторами в цифровой микроскопии, где камеры, как правило, видны пользователю.

Аппаратные компоненты камеры

Помимо характеристик самой камеры следует учитывать характеристики ее аппаратных компонентов, незаметные для глаза, однако способные значительно влиять на производительность камер с одинаковыми сенсорами. В первую очередь обратите внимание на программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) — сложный логический элемент, который может принимать различные формы, от цифрового переключателя на плате до узкоспециализированного микропроцессора. FPGA лежит в основе конструкции многих камер. Мощная программируемая вентильная матрица в комбинации с эффективным встроенным программным обеспечением позволяет выполнять многие функции (в особенности оптимизацию изображения) на стороне камеры, без дополнительной нагрузки на ПК / процессорную плату. Большой объем оперативной памяти также может иметь значение с точки зрения внутреннего хранения изображений. Этот фактор будет решающим для повышения стабильности передачи данных, в особенности, если системой машинного зрения за короткое время производится множество изображений, а значит, требуется высокая пропускная способность.

Температурный режим / тепловыделение камеры

Скорость съемки новых КМОП-сенсоров значительно превышает таковую в КМОП- или ПЗС-сенсорах предыдущего поколения. Оборотная сторона такого улучшения производительности — повышенное энергопотребление и, соответственно, усиление тепловыделения внутри камеры. Повышение температуры внутри камеры может стать причиной возникновения проблем и ухудшения качества изображения в самых различных системах. При сравнении температурного режима камер необходимо уделить пристальное внимание тому, чтобы тестирование проводилось при съемке с одинаковой скоростью и с одинаковым разрешением. Конструкция камеры играет ключевую роль в вопросе рассеяния выделяемого тепла. Если выделяемое тепло рассеивается недостаточно, повышение температуры внутри камеры может не только стать причиной появления шума на изображении, но даже вызвать повреждение компонентов. Разницу в теплоотводе камер в меньшей степени можно определить исходя из абсолютной температуры корпуса и в большей — сравнивая разницу температур между внутренними компонентами камеры и ее внешним корпусом. При измерении температуры камеру желательно установить так (с учетом используемого объектива и геометрии соседних объектов), как она будет эксплуатироваться в реальной ситуации.

Бонус: функции встроенного программного обеспечения и стабильность при передаче больших объемов данных

Камеры, оснащенные одним и тем же сенсором, также могут различаться по причине различий программного и встроенного программного обеспечения. Здесь значение имеет соответствие стандартам, например GenICam («обращение» к камере), а также совместимость со стандартами передачи данных GigE Vision и USB3 Vision. Эти стандарты регулируют и определяют средства взаимодействия и интерфейсы передачи данных камеры и обеспечивают сокращение затрат на интеграцию, гарантируя надежную передачу данных.

Со встроенным программным обеспечением и сопутствующим программным обеспечением камеры также может быть связан целый ряд различий. Первое касается затрат на интеграцию камеры: не все производители камер готовы предоставить пользователям полноценное программное обеспечение и драйверы для управления камерой или надежную среду программирования (совместимую при этом с разными операционными системами и языками программирования). Однако это в абсолютной степени обязательные условия для любого крупного проекта.

Стабильность передачи данных может выступать еще одним аспектом, где проявляются различия. Если во встроенном программном обеспечении камеры, например, настроена буферизация изображений, это существенно увеличит стабильность передачи данных, особенно в случае значительного потребления пропускной способности / высокой скорости съемки.

Во многом за повышение производительности системы машинного зрения отвечает целый ряд стандартизованных и проприетарных функций, благодаря которым можно добиться значительно лучших результатов с тем же сенсором.

Ниже приведены два примера изображений, снятых камерой Basler ace:

Один сенсор, различные возможности предварительной обработки изображения: без оптимизации (слева) и с оптимизацией (справа) средствами встроенного программного обеспечения

К важным возможностям встроенного программного обеспечения камеры относится оптимизация качества изображения. Эти функции особенно пригодятся в тех областях, где требуется повышенная точность цветовоспроизведения (медицина), точная передача контуров (распознавание кодов или номерных знаков) или где важна максимальная детализация изображения и распознавание цветов (обнаружение компонентов и мест их размещения при производстве электронных печатных плат).

Пример использования функции серийной съемки

Некоторые камеры предлагают функцию серийной съемки. Во время серийной съемки параметры настройки камеры автоматически меняются в соответствии с предварительно заданной схемой для съемки каждого изображения. Функция серийной съемки незаменима, когда необходимо сделать акцент на изменение каких-либо характеристик объекта в течение короткого периода времени. В качестве примеров можно привести контроль дорожного движения, системы контроля качества стекла и автоматизацию лабораторных процессов.

Выбор камеры: поиск долгосрочного партнера

Выбор камеры для системы машинного зрения часто подразумевает и выбор предпочтительного партнера, чьи решения будут использоваться в дальнейшем долгие годы. Обычно в этом аспекте выгодно сотрудничество с крупным, зарекомендовавшим себя производителем камеры.

Ключевую роль здесь играют возможность быстрой поставки больших партий и стабильное качество. Бесперебойная поставка компонентов приобретает еще большую важность, когда во главу угла ставятся минимальные капитальные затраты, уровень запасов и своевременная поставка во избежание убытков в рамках процесса бережливого производства. Это серьезные требования, которые способны удовлетворить далеко не все производители промышленных камер. Для того чтобы обеспечивать сжатые сроки поставок, объемы которых могут постоянно меняться, а также успешно справляться с крупномасштабными проектами, поставщик камер должен обладать безупречными навыками планирования.

Надежность и стабильность являются неотъемлемыми характеристиками, когда речь идет о качестве и функциях камеры. Тесты и тщательная калибровка подтвердят соответствие каждой камеры ожиданиям и пригодность использования собранных ей данных для непрерывного контроля производственных процессов.

Что же произойдет, если камера будет функционировать не так, как ожидалось? По тому, какое место занимает производитель на рынке, можно судить об эффективности процесса управления качеством в компании, направленном на обеспечение анализа возникающих проблем и накопление опыта для их быстрого решения в будущем, как на производственных линиях, так и в отношениях с клиентами.