تجزیه و تحلیل شش عنصر اصلی دوربین های صنعتی

به عنوان هسته یک سیستم بینایی ماشین، عملکرد یکدوربین صنعتینه تنها به حسگر و سیستم نوری بستگی دارد، بلکه به شدت به انتخاب رابط انتقال داده نیز بستگی دارد. رابط های رایج عبارتند از USB، GigE و Camera Link که هر کدام مزایای خاص خود را از نظر نرخ انتقال، استفاده از پهنای باند، طول کابل و سازگاری سیستم دارند.

دوربین‌های صنعتی USB با قابلیت اتصال-و-پخش کردن، سیم‌کشی ساده و کارایی{2}}هزینه بالا مشخص می‌شوند، که آنها را برای سناریوهای بازرسی با سرعت متوسط- تا-مناسب می‌کند. دوربین‌های صنعتی GigE فواصل انتقال طولانی و قابلیت‌های ضد تداخل قوی را ارائه می‌دهند و معمولاً در خطوط تولید بزرگ و سیستم‌های چند دوربینی استفاده می‌شوند. دوربین‌های Camera Link به دلیل سرعت و پایداری بالا شناخته شده‌اند که آن‌ها را برای برنامه‌های بازرسی دقیق-رزولوشن{10} و نرخ بالای فریم{11}} مناسب می‌سازد.

1. اجزای نوری

اجزای نوری دوربین های صنعتی اساسا بر اساس سنسورهای تصویر CCD یا CMOS هستند. مساحت ناحیه حساس نوری و اندازه پیکسل آنها به طور مستقیم وضوح تصویر و حساسیت به نور را تعیین می کند. برای محصولاتی با سیستم‌های نوری یکپارچه و طراحی دوربین، پارامترهای لنز معمولاً دقیقاً با ویژگی‌های حسگر در کارخانه مطابقت دارند تا کیفیت تصویر بهینه را تضمین کنند.

در کاربردهای حرفه ای یا تخصصی، مهندسان اغلب باید انواع مختلف لنزها را متناسب با نیازهای تصویربرداری خاص تغییر دهند. به عنوان مثال:

لنزهای میکروسکوپ: برای بازرسی اندازه میکروسکوپی و تجزیه و تحلیل سطح تراشه استفاده می شود.

لنزهای آندوسکوپی: مناسب برای تصویربرداری در فضاهای محدود یا داخل تجهیزات.

لنزهای تله فوتو: مناسب برای نظارت-از راه دور و بازرسی تجهیزات بزرگ.

رابط‌های لنز متداول عبارتند از C-mount و CS-. برخی از تولیدکنندگان نیز طرح‌های رابط اختصاصی را برای دستیابی به تطبیق{3} دقت بالا با سنسورها یا سیستم‌های تصویربرداری خاص ارائه می‌کنند. انتخاب نوری مناسب نه تنها وضوح تصویر را بهبود می بخشد، بلکه به طور قابل توجهی دقت بازرسی و ثبات سیستم را افزایش می دهد.

2. بخش دریافت سیگنال:

عملکرد اصلی دوربین های صنعتی به پردازش سیگنال الکتریکی اطلاعات خارجی متکی است و ماژول دریافت سیگنال یک جزء حیاتی است. این ماژول در درجه اول مسئول تبدیل سیگنال های نور تابشی به سیگنال های الکتریکی قابل پردازش است.

فرآیند تبدیل فوتوالکتریک توسط یک سنسور تصویر CCD یا CMOS تکمیل می شود: پس از فوکوس شدن توسط لنز، نور فرودی سطح حساس به نور سنسور را روشن می کند. سنسور اطلاعات شدت نور را به یک سیگنال شارژ متناظر تبدیل می‌کند، که سپس تقویت شده و از آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شود تا یک سیگنال دیجیتال برای پردازش و تحلیل تصویر بعدی تشکیل شود.

در برخی از سیستم‌های با قابلیت اکتساب چند وجهی، دوربین همچنین می‌تواند سیگنال‌های صوتی را از طریق میکروفون‌های خارجی دریافت کند، اطلاعات صوت و نور را برای سناریوهای تشخیص و نظارت پیچیده‌تر ترکیب کند، در نتیجه قابلیت‌های ادراک محیطی و دقت ترکیب داده‌ها را بهبود می‌بخشد.

3. پردازش دیجیتال:

دیجیتالی شدن تصویر مرحله اصلی در پردازش سیگنال دوربین صنعتی است و فرآیند آن را می توان به دو مرحله تقسیم کرد: تبدیل فوتوالکتریک و تبدیل آنالوگ به-دیجیتال (تبدیل A/D).

ابتدا سنسور تصویر CCD یا CMOS ناحیه تصویربرداری را به واحدهای پیکسل بی شماری تقسیم می کند. هر پیکسل یک سیگنال شارژ متناظر را بر اساس تعداد فوتون های دریافتی تولید می کند: هر چه شدت نور بیشتر باشد، ولتاژ خروجی بالاتر است. هر چه نور ضعیف تر باشد، ولتاژ کمتر است. سیگنال الکتریکی خروجی در این مرحله همچنان یک سیگنال آنالوگ است.

سپس، سیگنال توسط یک مبدل آنالوگ به

در سیستم‌هایی با قابلیت اکتساب صدا، میکروفون سیگنال صدا را به سیگنال ولتاژ نیز تبدیل می‌کند که سپس از طریق تبدیل A/D به داده‌های صوتی دیجیتالی تبدیل می‌شود و امکان ورودی داده‌های چندوجهی را فراهم می‌کند و از نظارت صحنه پیچیده و تحلیل هوشمند پشتیبانی می‌کند.

4. تقویت سیگنال:

بهبود سیگنال تصویر گامی مهم در فرآیند تصویربرداری دیجیتال دوربین های صنعتی است که هدف آن بهبود وضوح تصویر، بازتولید رنگ و کیفیت کلی بصری است.

در دوربین های صنعتی رنگی، اطلاعات رنگی تصویر توسط یک آرایه فیلتر رنگی (CFA) تولید می شود. فیلترها معمولاً روی یک سنسور CCD یا CMOS قرار می گیرند و هر پیکسل فقط می تواند یکی از سه رنگ نور را دریافت کند: قرمز (R)، سبز (G) یا آبی (B). متداول ترین آرایش آرایه فیلتر Bayer است که از طریق یک الگوی توزیع RGGB خاص، حسگر را قادر می سازد اطلاعات رنگ کامل را درک کند.

پس از به دست آوردن داده‌های تصویر خام، ماژول تقویت سیگنال تصویر را با استفاده از الگوریتم‌هایی مانند پاک‌سازی، تراز سفیدی، تصحیح گاما، و شارپ‌سازی بهینه می‌کند و در نهایت تصویری با کیفیت- ایجاد می‌کند که الزامات بصری یا بازرسی را برآورده می‌کند.

برای سیستم‌هایی با قابلیت ورودی صدا، سیگنال صوتی همچنین مراحل پردازش سیگنال دیجیتال مانند سرکوب نویز، تنظیم بهره و فشرده‌سازی محدوده دینامیکی را طی می‌کند تا از صدای واضح و متمایز اطمینان حاصل شود.

5. رابط:

ماژول رابط یک پل مهم برای انتقال داده ها و کنترل ارتباط بین دوربین های صنعتی و دستگاه های خارجی است و همچنین یکی از تمایزات کلیدی بین انواع مختلف دوربین های صنعتی است.

رابط‌های رایج دوربین صنعتی شامل USB 3.0، GigE، Camera Link، CoaXPress و 10GigE است. رابط های مختلف از نظر پهنای باند انتقال، مسافت، عملکرد زمان واقعی، و سازگاری سیستم، ویژگی های خاص خود را دارند.

به عنوان مثال، رابط USB 3.0 مزایایی مانند قابلیت اتصال{1}}و-پخش، سرعت انتقال بالا، و هزینه کم را ارائه می‌کند که آن را برای برنامه‌های-کوتاه-فریم-با برد{4}بالا مناسب می‌سازد. از سوی دیگر، رابط GigE از انتقال از راه دور و شبکه‌های چند دستگاهی پشتیبانی می‌کند و آن را برای سناریوهایی مانند خطوط تولید صنعتی که در آن چندین دوربین نیاز به جمع‌آوری داده‌ها به طور همزمان دارند، مناسب می‌کند.

انتخاب نوع رابط مناسب نه تنها بر پایداری و کارایی انتقال تصویر تأثیر می گذارد، بلکه سازگاری و مقیاس پذیری دوربین با کل سیستم بینایی را تعیین می کند.

6. کنترل:

ماژول کنترل، ماژول‌های عملکردی مختلف دوربین را هماهنگ و مدیریت می‌کند و از همکاری کارآمد بین دریافت تصویر، پردازش سیگنال و انتقال داده اطمینان حاصل می‌کند.

کاربران می توانند دوربین را به چند روش کنترل و پیکربندی کنند:

کنترل محلی: عملیات اساسی مانند روشن/خاموش کردن و تغییر حالت نوردهی از طریق دکمه های فیزیکی یا سوئیچ های DIP روی دوربین انجام می شود.

کنترل نرم افزار: پارامترها، از جمله زمان نوردهی، افزایش، نرخ فریم و حالت ماشه را می توان با استفاده از نرم افزار کاربردی اختصاصی یا SDK از راه دور در رایانه تنظیم کرد.

کنترل جامع: ترکیب سخت‌افزار و نرم‌افزار، طرح‌های کنترل هیبریدی انعطاف‌پذیرتری را امکان‌پذیر می‌کند، مانند عکس‌برداری دقیق هماهنگ از طریق سیگنال‌های ماشه خارجی و دستورات نرم‌افزار.

یک روش کنترل خوب-طراحی شده می‌تواند به طور موثر سطح اتوماسیون و پایداری عملیاتی سیستم را بهبود بخشد و نیازهای کاربردی سناریوهای مختلف صنعتی را برآورده کند.

به عنوان یک جزء اصلی ازسیستم های بینایی ماشینعملکرد دوربین های صنعتی توسط شش ماژول اصلی تعیین می شود: اپتیک، دریافت سیگنال، دیجیتالی سازی، افزایش سیگنال، رابط و کنترل. هر ماژول نقش مهمی در فرآیند تصویربرداری ایفا می کند: از نور وارد شده به لنز، گرفتن توسط حسگر تصویر و تبدیل شدن به سیگنال دیجیتال گرفته تا بهینه سازی تصویر، انتقال داده و کنترل سیستم، هر مرحله به هم مرتبط است و به طور مشترک کار می کند.

از طریق طراحی منطقی ماژول و بهینه‌سازی تکنولوژیکی، دوربین‌های صنعتی می‌توانند کیفیت تصویربرداری پایدار و قابل اعتمادی را در وظایف شناسایی و تشخیص دقیق-سرعت،{1} بالا، ارائه پشتیبانی فنی قوی برای زمینه‌هایی مانند تولید هوشمند، بازرسی خودکار، و راهنمایی بینایی ارائه دهند.