|
|||
|
IntroduktionKameraet udgør hardwareelementet i MachineVisionsystemet,
som frembringer billedsignalet. Hovedformål er at give overblik over samt skabe
forståelse for de forskellige kamerateknologiers styrker og svagheder. Herved dannes grundlag for Indhold: Indledning: MachineVision-kameraer tjener et simpelt formål; de skal konvertere et fotonmønster, som repræsenterer en given visuel information, til et elektronmønster. Der eksisterer imidlertid ikke en enkeltstående kameratype, som kan anvendes til alle applikationer, men derimod et bredt udvalg af forskellige kameratyper med dedikerede egenskaber. Endvidere stiller hver af disse kameratyper forskellige krav til tilstødende udstyr. Figur nedenfor giver et overblik over de hyppigst benyttede kameratyper indenfor MachineVision, samt det tilstødende udstyr, der kræves for den pågældende kameratype. Som figur 1 viser, eksisterer, overordnet set, to hovedtyper af kameraer; analoge og digitale, hvoraf sidstnævnte kan inddeles yderligere efter interfacetype.
Både analoge og digitale kameraer findes i henholdsvis monokrom og farvevarianter. Monokromkameraer benyttes i den overvejende del af industrielleMachineVision-løsninger - i helt op mod 80 procent af tilfældene. Dette skyldes dels, at disse kameraer er mindre omkostningstunge end tilsvarende farvekameraer, samt at monokrom-kameraerne, generel set, tilvejebringer op mod 90 procent af den tilgængelige visuelle information - hvilket ofte er tilstrækkeligt. Farvekameraer benyttes som regel kun, når applikationen specifikt kræver analyse af emnets farve. Analoge kameraer Analoge kameraers output udgøres af et standard videosignal, der foreligger i et analogt/kontinuert
format. Videosignalet er baseret på TV-standarden, hvorfor de analoge kameraer i lang tid har
været populære og således er meget udbredte. Analoge kameraer var de første, der blev benyttet
indenfor MachineVision, og har bevaret en hvis popularitet, fordi de, generelt set, er mindre
omkostningstunge end deres digitale modstykker. I MachineVision-systemer, hvor analoge kameraer
benyttes, skal kameraets output digitaliseres, for at den nødvendige billedprocessering kan udføres.
Denne digitalisering udføres ved hjælp af et specialdesignet dataopsamlingskort - en såkaldt
framegrabber - hvilket uddybes senere. Digitale kameraer Digitale kameraer besidder en række fordele i forhold til analoge, udover den, allerede nævnte,
højere opdateringshastighed. For eksempel er det digitale billedsignal mindre modtageligt overfor
støj under overførsel. Dette skyldes, at digitaliseringen foretages direkte i kameraet, i modsætning
til i analoge kameraer, hvor digitaliseringen foretages ved hjælp af en framegrabber. Den direkte
digitalisering medfører, at S/N-forholdet bliver højere, hvilket betyder, at der opnås større
nøjagtighed i billedgengivelsen. Digitale interfaces Digitale kameraer har, indenfor de sidste 15 år, gennemgået en rivende udvikling, hvorfor der i dag forefindes en række forskellige konkurrerende kameratyper. Figur 2 fremviser, hvornår de forskellige kameratyper blev lanceret i henhold til anvendelse indenfor dedikerede MachineVision-systemer.
Hastigheden udgør en central parameter under udvælgelsen af digitale kameraer til MachineVisionsystemer. I denne sammenhæng udgør dataoverførslen et essentielt aspekt, da denne kan virke begrænsende for hastigheden, hvormed den overordnede proces kan udføres. Principielt bør alle interfaces, der er i stand til at overføre den krævede datamængde, overvejes. I nedenstående tabel forefindes en fremstilling og sammenligning af de hyppigst benyttede kamerainterfaces - tilsvarende de fremviste i figur 2.
Ud fra tabel 1 ses, at MachineVision-designere, som minimum, har seks forskellige kamerabusser at vælge mellem. Hvilken af disse kamerabusser, der bør vælges, afhænger i stor udstrækning af den båndbredde, som den givne MachineVision-applikation kræver. Båndbredden, eller throughput, er et mål for hastigheden, hvormed billeddata kan sendes fra kamera til processeringsenhed. Faktorerne, som øver indflydelse herpå, er; opdateringshastighed, billedopløsning samt datamængden til repræsentation af en enkelt pixel. Til sidstnævnte punkt kan nævnes, at 8-bit-monokrom-billeder repræsenteres af 1 byte per pixel, mens monokrome billeder af 10 bit eller større repræsenteres ved 1,5-2 bytes per pixel - afhængigt af applikationen. Farvebilleder repræsenteres af 1-3 bytes per pixel, afhængigt af den benyttede sensorteknologi. Bestemmelse af båndbredde Udgangspunktet for at bestemme om en given kamerabus har tilstrækkelig båndbredde til at
håndtere en given opgave, udgøres af en analyse af selve applikationen. I det følgende diskuteres,
hvorledes proceskrav kvantificeres, således det kan vurderes om en given bustype besidder
tilstrækkelig båndbredde.
Beregningseksempel
Bussen overfører 2 bytes for hver pixel, det vil sige:
I ovenstående er det således bestemt, hvor mange bytes bussen skal sende i hvert interval, nemlig:
Bussen skal derfor, i dette tilfælde, have en båndbredde, der kan håndtere 20,97 MB/s. Ud fra ovenstående ses, at båndbredden, generelt, kan beregnes på følgende måde:
En framegrabber er et dataopsamlingskort, hvis oprindelige funktion er at lede signaler fra et kamera til en processeringsenheds hukommelse, hvor behandlingen heraf skal udføres. Kameraer, som benytter framegrabbers, benævnes interfaced. Sådanne kameratypers output udgøres af et analogt signal, dog med undtagelse af kameraer med RS-644- og CameraLink-interfaces, idet disses outputs er digitale. Analoge framegrabbers primære funktion er at digitalisere kameraets analoge videosignal og herefter videresende dette til processeringsenheden. De mest almindelige europæiske standarder for monokrom- og farvekameraer er henholdsvis CCIR og PAL. Digitale framegrabbers accepterer videosignaler, der allerede foreligger i digitalt format, hvorfor disses opgave udelukkende består i signaloverførsel fra kamera til processeringsenhed. Framegrabbers var tidligere en fast forankret del af ethvert MachineVision-system, men som følge af udviklingen indenfor digitale kameratyper, der kan fungere uafhængigt heraf, er disse ikke længere så udbredte. Til trods for at direct-connect-kameraerne har vundet markant indpas i MachineVisionindustrien, forefindes stadig applikationer, hvor anvendelsen af framegrabbers bør overvejes. Dette er eksempelvis, når:
Visse industrielle opgaver kræver kombination af høj framerate og god billedkvalitet, hvilket betyder,
at datamængden, som sendes fra kamera til processeringsenhed, er stor. I disse situationer er det
afgørende, at systemet har en båndbredde, som kan håndtere denne datamængde.
I sådanne tilfælde besidder framegrabbers en række fordele - i forhold til direct-connect-kameraer -
idet de er baseret på de traditionelle bustyper; PCI eller PCI-X (CameraLink). Som tabel 1 viser,
er båndbredderne for USB 2.0 og Gigabit Ethernet henholdsvis 60 og 125 MB/s. Til sammenligning
har en framegrabber, baseret på PCI-bussen, en båndbredde på over 250 MB/s.
Indenfor MachineVision anvendes hovedsageligt 1- og 2-dimensionelle kameraer, samt en begrænset
mængde af 3-dimensionelle afbildningsteknikker. Sidstnævnte omtales ikke yderligere, idet denne teknologi ikke har slået igennem på nuværende tidspunkt, og der derfor ikke er
tale om decideret kommerciel anvendelse.
MachineVision-kameraer af den 1-dimensionelle type benævnes ofte line-scan-kameraer, mens de
Indenfor hovedparten af MachineVision-systemer benyttes area-scan-kameraer, mens færre industrielle
opgaver kræver de specielle egenskaber, som line-scan-kameraer tilbyder. Valget afhænger
naturligvis af hvilken af de to, der er i stand til at levere et tilfredsstillende billede og samtidig
opfylde kravspecifikationen i forhold til produktet og processen.
Den tekniske forskel mellem line- og area-scan-kameraer ligger i afbildningssensoren, der reelt
set udgør kameraets omdrejningspunkt, og således er årsagen til, at billedet kan gengives.
Fundamentalt er forskellen, at area-scan-kameraer benytter en afbildningssensor, der er udformet
som et rektangulært pixelnet, mens afbildningssensoren i line-scan-kameraer er proportioneret
som en pixelstreng. Afbildningssensoren i area-scan-kameraer har således en længde og bredde,
som udtrykker sensorens opløsning - eksempelvis VGA (640 x 480) eller XGA (1024 x 768). Line-scan-kameraer Line-scan-kameraer benyttes i applikationer, hvor testemnerne fremstår kontinuerte. Line-scankameraer
har således den specielle egenskab, at kunne erhverve billeder af produkter med høj fart
i stor opløsning, hvilket gør denne kameratype enerådende indenfor visse applikationer. Eksempler
herpå er identificering af uregelmæssigheder i træbrædder, strenggods, coilstål, etcetera. Ydermere
benyttes line-scan til afbildning af cirkulære testemner. Et eksempel herpå er rotation af en flaske
foran et line-scan-kamera, hvorved et fladt billede af flaskens overflade fremkommer. En umiddelbar fordel ved line-scan-kameraet er, at den definerede billedhøjde kan varieres - såkaldt variable height acquisition (VHA). En yderligere fordel ved line-scan-kameraers anvendelse af framegrabbers er, at VHA-egenskaben kan benyttes sammen med en sensor, der eksempelvis kan anvendes som triggersignal til påbegyndelse af billedopsamling. Ligeledes kan en anden sensor bruges til at sende signal til kameraet om at stoppe billedopsamlingen. Herved opnås en dynamisk billedstørrelse, der udelukkende bestemmes af det pågældende emnes størrelse. Area-scan-kameraer Area-scan-kameraer benyttes i applikationer, hvor hele emnet ønskes afbilledet på én gang. Desuden
anvendes de i tilfælde, hvor det er svært at styre positionen og/eller orienteringen af emnerne
indenfor det definerede synsfelt. Interlaced scanning
Det højrestillede billede på figur 4 afbilleder et objekt i bevægelse og illustrerer hovedproblemstillingen ved interlaced scanning. I og med skanningen af alle ulige linjer tilsammen tager omkring 1/60 sekund, og det samme gør sig gældende for alle lige linjer9, kan testemnet nå at flytte sig mellem de to skanninger, hvilket resulterer i et uskarpt billede. I MachineVision-systemer, hvor emnerne enten er stationære eller bevæges langsomt vil analoge kameraer, der benytter interlaced scanning være en fyldestgørende og tilmed billig løsning. Hvorvidt produktet er i bevægelse eller ej, er bestemmende for eksponeringstiden og dermed om et interlaced kamera eller et kamera, som gør brug af progressive scan - jævnfør understående - kræves, for at tilstrækkelig billedskarphed opnås. Progressive scanning
Nogle progressive-scan-kameraer giver endvidere mulighed for skanning af blot et udsnit af billedet. Dette er en nyttig egenskab i situationer, hvor det kun er nødvendigt at inspicere en del af det pågældende emne. Udbyttet af en delvis skanning er primært hurtigere processeringstid, som følge af processering af en mindre datamængde.
Den essentielle del af et MachineVision-kamera udgøres, som allerede nævnt, af afbildningssensoren. Sensorens funktion er at generere billedet samt at omsætte dette til information, som enten behandles direkte i kameraet (SmartCameras) eller sendes til en ekstern processeringsenhed (PC, VisionEngine, etcetera), der efterfølgende behandler denne. Afbildningssensorer er opbygget af et net af siliciumenheder, der hver især repræsenterer én pixel - typisk i størrelser fra [9,9 μm x 9,9 μm] ned til [2,7 μm x 2,7 μm] - som udgør henholdsvis et 659 x 494 og et 3288 x 2472 pixelnet. Forskellen i pixelstørrelse har imidlertid ikke kun indflydelse på opløsningen, for mens opløsningen bliver bedre i takt med, at pixels bliver mindre, øver dette negativ indflydelse på evnen til at generere ladning. Når de enkelte pixels afgiver mindre ladning, resulterer dette i et dårligere signal, som følge af en større støjmængde. Billedfrembringelse
Omdrejningspunktet for ethvert MachineVision-system udgøres, som allerede nævnt, af billedkvaliteten og en afgørende faktor består således i opnåelse af tilfredsstillende afstemning af sensorens afbildningsfølsomhed ved en given belysning. En sensors afbildningsfølsomhed afhænger af pixelens fotoaktive areal, der er proportionalt afhængig af pixelstørrelsen.[ CCD- og CMOS-teknologierne To sensorteknologier præger, i dag, MachineVision-kameraer - de traditionelle CCD- og de nyere CMOS-sensorer. Det er centralt at få indblik i disse teknologiers styrker og svagheder, idet dette er afgørende for opnåelse af en tilfredsstillende billedkvalitet. Væsentlige forskelle mellem de to sensorteknologier består i strategierne og mekanismerne, som muliggør udførelse af de tre ovennævnte frembringelsestrin. Der fokuseres herpå i det følgende. 1) Generering og opsamling af ladning 2) Måling af ladning og konvertering til spænding
CCD-sensorer har, uafhængigt af undertype, en række generelle svagheder - specielt udtværing og blænding - der forholder sig til sensorens opbygning. Når CCD-sensorens enkelte pixels bliver overmættede, som følge af indkommende lys fra særligt (gen)skinnende emner, kan de ikke holde ladningen indenfor pixelens afgrænsede område. Konsekvensen heraf er, at den overskydende ladning overføres til de omkringliggende pixels, hvorved fænomenet blænding, eller blooming, opstår. Den anden hyppigt forekommende fejltype - udtværing - forekommer ofte i forbindelse med blænding og ses som vertikale linjer i billedets lyse områder. Udtværing opstår som følge af interferens mellem elektroner, når disse bevæges fra de pågældende pixels til output-leddet. Hvad enten der er tale om CCD- eller CMOS-sensorer, findes forskellige undertyper heraf: CCD - Charged Coupled Device.
CMOS - Complementary Metal-Oxide Semiconducter.
3) Signaloverførsel At CMOS-teknologien har lagt stor funktionalitet i selve sensoren, har visse åbenlyse fordele. Eksempelvis medfører dette, at det er muligt at konstruere en meget kompakt kameraenhed, som er i stand til at levere et digitalt output. Disse fordele fremkommer, imidlertid, på bekostning af en mere kompleks opbygning. CMOS-teknologien muliggør desuden en højere framerate, fordi pixelinformationen transmitteres parallelt fra sensoren, frem for sekventielt, som det er tilfældet for CCD-sensorer.
Opsummering på og sammenligning af CCD- og CMOS-teknologierne Som afslutning foretages en sammenligning mellem MachineVision-kameraernes omdrejningspunkter, der typisk udgøres af de gennemgåede CCD- og CMOS-sensorer. I tabel 2 forefindes en direkte sammenligning af CCD- og CMOS-sensorerne - dette i forhold til væsentlige faktorer i relation til MachineVision.
Kilder: |
||
All rights reserved - MachineVision.dk©
|
|||