1. Introdução às câmeras industriais
As câmeras industriais diferem das câmeras de nossos smartphones ou câmeras DSLR. Eles podem operar em ambientes agressivos, como altas temperaturas, altas pressões e condições de poeira. As câmeras industriais consistem principalmente em câmeras array e câmeras de varredura de linha.
As câmeras de varredura linear são usadas principalmente em cenários que exigem alta precisão e movimento rápido, enquanto as câmeras array têm uma gama mais ampla de aplicações.
Câmeras de varredura de linha
Essas câmeras têm uma configuração linear e normalmente são usadas em dois cenários. Primeiro, eles são utilizados para inspecionar campos de visão alongados, semelhantes a correias, geralmente em tambores rotativos. Segundo, eles são escolhidos para aplicações que exigem um amplo campo de visão com alta precisão. As imagens bidimensionais que vemos nas câmeras de varredura linear são formadas por múltiplas varreduras lineares.
As vantagens das câmeras de varredura em linha incluem a capacidade de ter um grande número de pixels unidimensionais, menos pixels totais em comparação com câmeras de matriz, tamanhos de pixel flexíveis e altas taxas de quadros. Isto os torna particularmente adequados para medir alvos dinâmicos unidimensionais.
Câmeras de matriz
As câmeras array são mais amplamente utilizadas em aplicações de visão de máquina. A vantagem das câmeras CCD array é sua capacidade de capturar diretamente informações de imagens bidimensionais, fornecendo imagens de medição intuitivas.
Eles podem ser usados para tempos de exposição curtos, o que é benéfico para capturar cenas dinâmicas, e também são adequados para objetos estáticos. Como eu uso principalmente câmeras array, esta seção se concentrará na seleção de câmeras array.
2. Seleção de câmeras industriais
(1) CCD/CMOS
Para assuntos estáticos, as câmeras CMOS são uma opção econômica. No entanto, para alvos móveis, as câmeras CCD são preferíveis. Se for necessária aquisição de alta velocidade – referindo-se à velocidade de coleta, não à velocidade de movimento – câmeras CMOS, com suas taxas de coleta superiores, devem ser consideradas. Para imagens de alta qualidade, como medição de tamanho, os CCDs são recomendados, pois geralmente superam o CMOS em sensores pequenos.
As câmeras industriais CCD são usadas principalmente para capturar imagens de objetos em movimento e são amplamente empregadas em soluções automatizadas de inspeção visual. Com o avanço da tecnologia CMOS, as câmeras industriais CMOS são cada vez mais populares devido ao seu baixo custo e consumo de energia.
(2) Interfaces:
A frente de uma câmera industrial serve para fixar lentes e elas normalmente possuem interfaces profissionais padronizadas. Na parte traseira, geralmente existem duas interfaces: uma interface de energia e uma interface de dados.
As interfaces de câmeras industriais incluem USB 2.0/3.0, CameraLink, Gige, 1394a/1394b, CoaXPress e outras. Aqui, apenas alguns tipos comuns são apresentados.
Interface USB:
Suporta hot-plugging, facilidade de uso, padronizado e unificado, conecta vários dispositivos e pode ser alimentado via cabo USB.
Porém, carece de um protocolo padronizado e possui uma estrutura mestre-escravo, com alto uso de CPU e largura de banda não garantida. As interfaces USB 3.0 podem ser autoalimentadas, mas uma fonte de alimentação externa pode ser usada se a alimentação USB estiver instável.
Interface Gigabit Ethernet:
Desenvolvido com base no protocolo de comunicação Gigabit Ethernet, é adequado para aplicações de imagem industrial, transmitindo sinais de vídeo não compactados em rede.
Oferece boa capacidade de expansão, com comprimentos de transmissão de dados de até 100 m (extensível indefinidamente com repetidores), largura de banda de 1 Gbit para transmissão instantânea de dados, usa placas NIC padrão (ou pré-instaladas em PCs), é econômica e utiliza cabos baratos (padrão Cabos Ethernet CAT-6) com conectores padrão. É fácil de integrar, econômico e amplamente aplicável.
Interface CameraLink:
Um protocolo de comunicação serial que usa padrões de interface LVDS, conhecido por sua alta velocidade, fortes recursos anti-interferência e baixo consumo de energia. Desenvolvido a partir da tecnologia Channel Link, adiciona alguns sinais de controle de transmissão e define padrões relacionados. O protocolo usa conectores MDR-26 pinos, oferece alta velocidade com largura de banda de até 6.400 Mbps, fortes recursos anti-interferência e baixo consumo de energia.
As interfaces Gige simplificam a configuração de múltiplas câmeras, suportando saída de cabo de 100 metros. A interface Camera Link foi projetada especificamente para necessidades de dados de imagem em alta velocidade. As interfaces USB 3.0 são conhecidas por sua simplicidade e recursos em tempo real.
Atualmente, a interface mais utilizada em visão artificial é a interface Gige (Ethernet), que oferece vantagens significativas sobre outras interfaces em termos de velocidade de transmissão, distância e custo.
(3) Resolução
A resolução é um fator chave na seleção da câmera. É importante compreender a relação entre resolução, pixels, precisão, tamanho do pixel e tamanho do sensor, pois esses termos costumam ser confundidos.
A resolução da câmera refere-se ao número de pixels capturados em cada imagem, indicando o número total de chips sensíveis à luz, normalmente medidos em milhões e organizados em uma matriz.
Por exemplo, uma câmera de um milhão de pixels pode ter uma matriz de pixels de WxH = 1000×1000. O tamanho do pixel varia entre diferentes dispositivos, com cada pixel tendo uma posição específica e um valor de cor atribuído. A disposição e a cor desses pixels determinam a aparência da imagem.
(4) Tamanho do sensor
Os tamanhos dos sensores (CCD/CMOS) podem ser confusos, pois termos como 1/1,8 polegada ou 2/3 polegada não se referem a nenhuma dimensão específica ou tamanho diagonal do sensor, tornando difícil conceituar seu tamanho real.
| Tipo de sensor | Linha diagonal (mm) | Largura (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 superfície alvo = largura do sensor x altura do sensor
O tamanho do sensor afeta o campo de visão e a distância de trabalho. Com sensores maiores e com a mesma densidade de pixels, o tamanho dos pixels aumenta, melhorando a área sensível à luz de cada pixel e melhorando a qualidade da imagem. Sob a mesma distância de trabalho e lente, um sensor maior pode capturar um campo de visão mais amplo.
(5) Tamanho do pixel
Com a resolução da câmera e o tamanho do sensor, o tamanho do pixel pode ser calculado:
Tamanho do pixel = Tamanho do sensor/Resolução (número de pixels)
Isso produz o tamanho do pixel em largura e altura.
O tamanho do pixel refere-se ao tamanho físico real de cada pixel na matriz de pixels do chip, como 3,75um x 3,75um. Até certo ponto, o tamanho do pixel reflete a capacidade de resposta do chip à luz. Pixels maiores podem receber mais fótons, produzindo mais carga elétrica sob as mesmas condições de iluminação e tempo de exposição.
Isto é particularmente relevante para imagens com pouca luz, onde o tamanho do pixel é um indicador da sensibilidade do chip. É crucial distinguir isso da resolução da câmera: valores de resolução menores indicam resolução mais alta, enquanto pixels maiores implicam maior sensibilidade. Estes são dois conceitos distintos.
(6) Precisão
A precisão refere-se ao tamanho do objeto real representado por um único pixel, expresso em (um*um)/pixel. É importante observar que o tamanho do pixel não é o mesmo que precisão.
O tamanho do pixel é uma característica fixa da construção mecânica da câmera, enquanto a precisão está relacionada ao campo de visão da câmera e é variável. Quanto menor o valor da precisão, maior será a precisão.
O tamanho representado por um único pixel = Largura do campo de visão / Resolução da largura = Altura do campo de visão / Resolução da altura
Nota adicional: Considerando a distorção na borda de visão da câmera e os requisitos de estabilidade do sistema, geralmente não equiparamos uma única unidade de pixel a um valor de precisão de medição.
Às vezes, dependendo da fonte de luz, o valor do cálculo é aumentado. Com luz de fundo, a precisão é de 1 a 3 pixels, enquanto com uma fonte de luz direta é de 3 a 5 pixels. Por exemplo, usando uma câmera de pixel de 500 W com resolução de 2.5002000 e um campo de visão de 100 mm80mm:
- Tamanho de pixel único = 0,04 mm
- Precisão da luz de fundo = 0,04 mm ~ 0,12 mm
- Precisão da luz direta = 0,12 mm ~ 0,20 mm
É importante compreender que, ao calcular a resolução com base na precisão conhecida, muitas vezes é necessária uma câmera com resolução superior ao valor calculado para atender aos requisitos.
(7) Resolução da imagem
A resolução da imagem é relativamente simples de entender. Refere-se ao número de pixels usados para exibir uma imagem por unidade de distância, semelhante em conceito à precisão, mas expresso de forma diferente.
Princípios Básicos de Seleção
Quando o campo de visão, ou seja, o tamanho do alvo, é fixo (o tamanho do alvo é geralmente considerado como o campo de visão ao selecionar uma câmera), quanto maior a resolução da câmera, maior a precisão e a resolução da imagem.
Quando o campo de visão não é fixo, câmeras com resoluções diferentes podem atingir a mesma precisão. Nesses casos, escolher uma câmera com pixels maiores pode expandir o campo de visão, reduzir o número de fotos necessárias e aumentar a velocidade dos testes.
Por exemplo, se uma câmera tem 1 milhão de pixels e outra tem 3 milhões de pixels, e ambas têm a mesma clareza (20um/pixel em precisão), o FOV da primeira câmera é 20mm×20mm = 400 mm quadrados, enquanto o FOV da segunda câmera é 1200 milímetros quadrados. Se capturar o mesmo número de alvos em uma linha de produção, a primeira câmera poderá precisar capturar 30 imagens, enquanto a segunda câmera precisará capturar apenas 10.
