1. Introducción a las cámaras industriales
Las cámaras industriales se diferencian de las cámaras de nuestros teléfonos inteligentes o de las cámaras DSLR. Pueden funcionar en entornos hostiles, como altas temperaturas, altas presiones y condiciones polvorientas. Las cámaras industriales se componen principalmente de cámaras de matriz y cámaras de escaneo lineal.
Las cámaras de escaneo lineal se utilizan principalmente en escenarios que requieren alta precisión y movimiento rápido, mientras que las cámaras de matriz tienen una gama más amplia de aplicaciones.
Cámaras de escaneo de línea
Estas cámaras tienen una configuración lineal y normalmente se utilizan en dos escenarios. En primer lugar, se utilizan para inspeccionar campos de visión alargados, en forma de cinturón, normalmente en tambores giratorios. En segundo lugar, se eligen para aplicaciones que requieren un amplio campo de visión con alta precisión. Las imágenes bidimensionales que vemos en las cámaras de escaneo lineal se componen de múltiples escaneos lineales.
Las ventajas de las cámaras de escaneo lineal incluyen la capacidad de tener una gran cantidad de píxeles unidimensionales, menos píxeles totales en comparación con las cámaras matriciales, tamaños de píxeles flexibles y altas velocidades de cuadros. Esto los hace especialmente adecuados para medir objetivos dinámicos unidimensionales.
Cámaras matriciales
Las cámaras de matriz se utilizan más ampliamente en aplicaciones de visión artificial. La ventaja de las cámaras CCD es su capacidad de capturar directamente información de imágenes bidimensionales, proporcionando imágenes de medición intuitivas.
Se pueden utilizar para tiempos de exposición cortos, lo que resulta beneficioso para capturar escenas dinámicas, y también son adecuados para objetos estáticos. Como utilizo principalmente cámaras de matriz, esta sección se centrará en la selección de cámaras de matriz.
2. Selección de cámaras industriales
(1) CCD/CMOS
Para sujetos estáticos, las cámaras CMOS son una opción económica. Sin embargo, para objetivos en movimiento, son preferibles las cámaras CCD. Si se requiere una adquisición de alta velocidad (en referencia a la velocidad de recolección, no a la velocidad de movimiento), se deben considerar las cámaras CMOS, con sus tasas de captura superiores. Para obtener imágenes de alta calidad, como la medición de tamaño, se recomiendan los CCD, ya que generalmente superan a los CMOS en sensores pequeños.
Las cámaras CCD industriales se utilizan principalmente para capturar imágenes de objetos en movimiento y se emplean ampliamente en soluciones de inspección visual automatizadas. Con el avance de la tecnología CMOS, las cámaras CMOS industriales son cada vez más populares debido a su bajo costo y consumo de energía.
(2) Interfaces:
La parte frontal de una cámara industrial se utiliza para colocar lentes y suelen tener interfaces profesionales estandarizadas. En la parte posterior, generalmente hay dos interfaces: una interfaz de alimentación y una interfaz de datos.
Las interfaces de cámaras industriales incluyen USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b, CoaXPress y otras. Aquí sólo se presentan algunos tipos comunes.
Interfaz USB:
Admite conexión en caliente, facilidad de uso, estandarizado y unificado, conecta múltiples dispositivos y puede alimentarse mediante un cable USB.
Sin embargo, carece de un protocolo estandarizado y tiene una estructura maestro-esclavo, con un alto uso de CPU y ancho de banda no garantizado. Las interfaces USB 3.0 pueden ser autoalimentadas, pero se puede utilizar una fuente de alimentación externa si la alimentación USB es inestable.
Interfaz Gigabit Ethernet:
Desarrollado en base al protocolo de comunicación Gigabit Ethernet, es adecuado para aplicaciones de imágenes industriales, transmitiendo señales de video sin comprimir a través de una red.
Ofrece buena capacidad de expansión, con longitudes de transmisión de datos de hasta 100 m (ampliable indefinidamente con repetidores), ancho de banda de 1 Gbit para transmisión de datos instantánea, utiliza tarjetas NIC estándar (o preinstaladas en PC), es económico y utiliza cables económicos (CAT estándar -6 cables Ethernet) con conectores estándar. Es fácil de integrar, rentable y ampliamente aplicable.
Interfaz CameraLink:
Un protocolo de comunicación en serie que utiliza estándares de interfaz LVDS, conocido por su alta velocidad, sólidas capacidades antiinterferencias y bajo consumo de energía. Desarrollado a partir de la tecnología Channel Link, agrega algunas señales de control de transmisión y define estándares relacionados. El protocolo utiliza conectores MDR de 26 pines, ofrece alta velocidad con ancho de banda de hasta 6400 Mbps, sólidas capacidades antiinterferencias y bajo consumo de energía.
Las interfaces Gige simplifican la configuración de múltiples cámaras y admiten una salida de cable de 100 metros. La interfaz Camera Link está diseñada específicamente para las necesidades de datos de imágenes de alta velocidad. Las interfaces USB 3.0 son conocidas por su simplicidad y capacidades en tiempo real.
Actualmente, la interfaz más utilizada en visión artificial es la interfaz Gige (Ethernet), que ofrece importantes ventajas respecto a otras interfaces en términos de velocidad de transmisión, distancia y coste.
(3) Resolución
La resolución es un factor clave en la selección de la cámara. Es importante comprender la relación entre resolución, píxeles, precisión, tamaño de píxel y tamaño del sensor, ya que estos términos suelen confundirse.
La resolución de la cámara se refiere a la cantidad de píxeles capturados en cada imagen, lo que indica la cantidad total de chips sensibles a la luz, generalmente medidos en millones y dispuestos en una matriz.
Por ejemplo, una cámara de un millón de píxeles podría tener una matriz de píxeles de WxH = 1000×1000. El tamaño de píxel varía entre diferentes dispositivos, y cada píxel tiene una posición específica y un valor de color asignado. La disposición y el color de estos píxeles determinan la apariencia de la imagen.
(4) Tamaño del sensor
Los tamaños de los sensores (CCD/CMOS) pueden resultar confusos ya que términos como 1/1,8 pulgadas o 2/3 pulgadas no se refieren a ninguna dimensión específica o tamaño diagonal del sensor, lo que dificulta conceptualizar su tamaño real.
| Tipo de sensor | Línea diagonal (mm) | Ancho (mm) | Altura (mm) |
| 1/3” | 6.000 | 4.800 | 3.600 |
| 1/2.5 | 7.182 | 5.760 | 4.290 |
| 1/2” | 8.000 | 6.400 | 4.800 |
| 1,8” | 8.933 | 7.176 | 5,319 |
| 2/3” | 11.000 | 8.800 | 6.600 |
| 1" | 16.000 | 12.800 | 9.600 |
| 4/3” | 22.500 | 18.800 | 18.500 |
Área de superficie objetivo = ancho del sensor x altura del sensor
El tamaño del sensor afecta el campo de visión y la distancia de trabajo. Con sensores más grandes y la misma densidad de píxeles, el tamaño de los píxeles aumenta, mejorando el área sensible a la luz de cada píxel y mejorando la calidad de la imagen. Con la misma distancia de trabajo y lente, un sensor más grande puede capturar un campo de visión más amplio.
(5) Tamaño de píxel
Con la resolución de la cámara y el tamaño del sensor, se puede calcular el tamaño de píxel:
Tamaño de píxel = Tamaño del sensor/Resolución (número de píxeles)
Esto produce el tamaño de píxel en ancho y alto.
El tamaño de píxel se refiere al tamaño físico real de cada píxel en la matriz de píxeles del chip, como 3,75 um x 3,75 um. Hasta cierto punto, el tamaño de los píxeles refleja la capacidad de respuesta del chip a la luz. Los píxeles más grandes pueden recibir más fotones, produciendo más carga eléctrica en las mismas condiciones de iluminación y tiempo de exposición.
Esto es particularmente relevante para imágenes con poca luz, donde el tamaño de píxel es un indicador de la sensibilidad del chip. Es fundamental distinguir esto de la resolución de la cámara: valores de resolución más bajos indican una resolución más alta, mientras que los píxeles más grandes implican una mayor sensibilidad. Estos son dos conceptos distintos.
(6) Precisión
La precisión se refiere al tamaño del objeto real representado por un solo píxel, expresado en (uno*uno)/píxel. Es importante tener en cuenta que el tamaño de píxel no es lo mismo que la precisión.
El tamaño de píxel es una característica fija de la construcción mecánica de la cámara, mientras que la precisión está relacionada con el campo de visión de la cámara y es variable. Cuanto menor sea el valor de precisión, mayor será la precisión.
El tamaño representado por un solo píxel = Ancho del campo de visión / Resolución de ancho = Alto del campo de visión / Resolución de altura
Nota adicional: teniendo en cuenta la distorsión en el borde de visión de la cámara y los requisitos de estabilidad del sistema, generalmente no equiparamos una unidad de un solo píxel con un valor de precisión de medición.
A veces, dependiendo de la fuente de luz, se aumenta el valor de cálculo. Con luz de fondo, la precisión es de 1 a 3 píxeles, mientras que con una fuente de luz directa es de 3 a 5 píxeles. Por ejemplo, utilizando una cámara de 500 W píxeles con una resolución de 2500 2000 y un campo de visión de 100 mm 80 mm:
- Tamaño de un solo píxel = 0,04 mm
- Precisión de la retroiluminación = 0,04 mm ~ 0,12 mm
- Precisión de la luz directa = 0,12 mm ~ 0,20 mm
Es importante comprender que cuando se calcula la resolución basándose en una precisión conocida, a menudo se necesita una cámara con una resolución mayor que el valor calculado para cumplir con los requisitos.
(7) Resolución de imagen
La resolución de la imagen es relativamente sencilla de entender. Se refiere al número de píxeles utilizados para mostrar una imagen por unidad de distancia, similar en concepto a la precisión pero expresado de manera diferente.
Principios básicos de selección
Cuando el campo de visión, es decir, el tamaño del objetivo, es fijo (el tamaño del objetivo generalmente se considera el campo de visión al seleccionar una cámara), cuanto mayor sea la resolución de la cámara, mayor será la precisión y resolución de la imagen.
Cuando el campo de visión no es fijo, las cámaras con diferentes resoluciones pueden lograr la misma precisión. En estos casos, elegir una cámara con píxeles más grandes puede ampliar el campo de visión, reducir la cantidad de fotografías necesarias y aumentar la velocidad de las pruebas.
Por ejemplo, si una cámara tiene 1 millón de píxeles y otra tiene 3 millones de píxeles, y ambas tienen la misma claridad (20um/píxel de precisión), el FOV de la primera cámara es 20mm×20mm = 400 mm cuadrados, mientras que el FOV de la primera cámara es 20mm×20mm = 400 mm cuadrados. la segunda cámara tiene 1200 milímetros cuadrados. Si se captura la misma cantidad de objetivos en una línea de producción, es posible que la primera cámara necesite capturar 30 imágenes, mientras que la segunda cámara solo necesite capturar 10.
