Цифровые интерфейсы камер

По мере развития технологий визуализации типы камер и их интерфейсов постоянно совершенствуются, чтобы удовлетворить потребности множества приложений. Для приложений машинного зрения в промышленности, где поточный контроль имеют ключевое значение, использование матричных камер имеет решающее значение. Понимание параметров и форм-факторов камер машинного зрения дает прекрасную возможность перейти от новичка в области визуализации к эксперту.

На сегодняшний день доступны цифровые камеры с различными вариантами интерфейсов, которые часто зависят от требований объекте. Некоторые форматы, такие как разновидности USB, могут значительно упростить процесс настройки, обеспечивая вывод видео и питание через один интерфейс. Другие форматы могут требовать дополнительного источника питания, но иметь такие преимущества, как более высокие скорости передачи данных, что влияет на частоту кадров камеры, или поддержку большего количества одновременных устройств. В таблице 1 сравниваются различные интерфейсы цифровых камер.

Варианты цифровых сигналов
	USB 3.1 (ранее USB 3.0)	GigE (PoE)	5 GigE (PoE)	10 GigE (PoE)	CoaXPress (CXP)	Camera Link
Скорость передачи данных	5 Гбит/с	1000 Мбит/с	5 Гбит/с	10 Гбит/с	до 12,5 Гбит/с (по одному каналу)	до 6,8 Гбит/с
Макс. длина кабеля	10 м (рекомендуется)	100 м	100 м	100 м	>100 м при 3,125 Гбит/с	10 м
Кол-во устройств	до 127	Неограниченно	Неограниченно	Неограниченно	Неограниченно	1
Разъем	USB 3.1 Micro B	RJ45 / Cat5	RJ45 / Cat5	Cat7 или оптический кабель	RG59 / RG6 / RG11	26 контактов

Таблица 1: Сравнение цифровых интерфейсов популярных матричных камер машинного зрения

USB (универсальная последовательная шина)

USB 3.1 Gen 1, ранее известный как USB 3.0, - популярный интерфейс благодаря своей повсеместной распространенности среди компьютеров. Он высокоскоростной и удобный, его максимально достижимая скорость зависит от количества периферийных USB-компонентов, поскольку скорость передачи данных по шине фиксирована и составляет 5 Гбит/с. В USB3 Vision регистры управления камерой основаны на стандарте EMVA GenICam. Наиболее распространенным разъемом USB 3.1, используемым в индустрии камер машинного зрения, является разъем USB 3.1 Micro B.

смотреть

GigE (гигабитный Ethernet)

GigE основан на интернет-протоколе гигабитного Ethernet и использует стандартные кабели Cat 5e и Cat 6 для высокоскоростного интерфейса камеры. Стандартное Ethernet-оборудование, такое как коммутаторы, концентраторы и повторители, может использоваться для нескольких камер. В GigE Vision регистры управления камерой основаны на стандарте EMVA GenICam. Поддерживаемый некоторыми камерами сетевой протокол точного времени (PTP) может использоваться для синхронизации часов нескольких камер, подключенных к одной сети, исключая рассинхронизацию между камерами. 5 GigE и 10 GigE — это более новые версии интерфейса GigE, которые обеспечивают скорость передачи данных 5 Гбит/с и 10 Гбит/с соответственно.

смотреть

CoaXPress (CXP)

CoaXPress - это высокоскоростной цифровой интерфейс plug-and-play для использования в приложениях машинного зрения с высоким разрешением, требующих высокой частоты кадров. Он использует коаксиальный кабель и масштабируется для нескольких кабелей. Каждый кабель способен передавать до 12,5 Гбит/с и обеспечивать мощность до 13 Вт при номинальном напряжении 24 В. Благодаря этой масштабируемости не существует установленного максимума для длины кабеля с CoaXPress; чем выше пропускная способность, тем меньше максимальная длина кабеля. В отличии от GigE этот стандарт по умолчанию имеет наименьшие задержки от камеры до вычислителя. Для использования требуется специализированная плата захвата формата CoaXPress (CXP).

смотреть

Camera Link

Camera Link - это стандарт высокоскоростного последовательного интерфейса, разработанный специально для приложений машинного зрения. Для использования, как и в случае с CXP, требуется плата захвата Camera Link, а питание должно подаваться на камеру отдельно. Требуется специальная кабельная разводка, поскольку в дополнение к линиям сигналов низковольтной дифференциальной пары (LVDP) предусмотрены отдельные каналы асинхронной последовательной связи для сохранения полной полосы пропускания для передачи данных. Однокабельная базовая конфигурация обеспечивает 2,04 Гбит/с, выделенных для видео. Двойные выходы (полная конфигурация) позволяют использовать отдельные линии отправки/приема параметров камеры, чтобы освободить больше места для передачи данных (6,8 Гбит/с) в высокоскоростных приложениях.

смотреть

Платы захвата

Обработка изображений обычно включает использование промышленных компьютеров, но далеко не всегда в компьютере имеется необходимый интерфейс. На помощь приходят - платы захвата формата PCIe, которые позволяют пользователям работать с камерами машинного зрения различных форматов. У промышленных компьютеров должен быть предусмотрен слот расширения PCIe (не меньше чем полноразмерный слот PCIe x4).

смотреть

Питание камеры

Многие интерфейсы камер позволяют подавать питание на камеру дистанционно через сигнальный кабель (например, USB или PoE). Питание по Ethernet (Power over Ethernet, PoE) - это функция, доступная практически во всех GigE Vision камерах. В случае отсутствия возможности работы камер по PoE, питание подается либо через разъем Hirose (который также позволяет подключать цепи триггера и ввода/вывода). Даже в тех случаях, когда камера может получать питание от карты или порта, использование дополнительного разъема питания может быть предпочтительным.

Программное обеспечение камеры

Существует два варианта выбора программного обеспечения для визуализации: специализированные комплекты разработки программного обеспечения (SDK) для камер или стороннее программное обеспечение. SDK включают интерфейсы прикладного программирования с библиотеками кода для разработки пользовательских программ, а также простые программы просмотра и захвата изображений, которые не требуют написания кода и предлагают простую функциональность. Для стороннего программного обеспечения важны стандарты камер (GenICam, DCAM, USB3 Vision, GigE Vision) для обеспечения функциональности. Стороннее программное обеспечение включает такие программы, как NI LabVIEW, MATLAB и OpenCV.

Для базовой настройки камер машинного зрения доступен “просмотрщик”, который позволяет управлять: цветовой температурой, шумоподавлением, усилением контраста, гамма-коррекцией и многим другим.

Кроме того, некоторые производители предоставляют своим клиентам среду разработки, с целью создания приложений машинного зрения и решения задач визуального контроля.

смотреть

Сенсоры

Размер сенсора

Размер активной области сенсора камеры важен для определения поля зрения (FOV) системы и первичного увеличения (m). При фиксированном увеличении, определяемом объективом, большие сенсоры обеспечивают большее поле зрения. Как показано на рисунке 1 и в таблице 2, существует несколько стандартных размеров матричных сенсоров.

Одна из проблем, которая часто возникает в приложениях визуализации, - это способность объектива поддерживать определенные размеры сенсоров. Если сенсор слишком велик для конструкции объектива, полученное изображение может казаться угасающим и ухудшаться к краям из-за виньетирования (гашения лучей, проходящих через внешние края объектива). Это иногда называют туннельным эффектом, поскольку края поля становятся темными. Меньшие размеры сенсоров не вызывают этой проблемы виньетирования.

ПЗС- и КМОП-сенсоры

ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) - это разные технологии сенсоров для преобразования света в электронные сигналы. В ПЗС заряд каждого пикселя преобразуется в напряжение, буферизуется и передается через один узел в виде аналогового сигнала. В КМОП-сенсоре преобразование заряда в напряжение происходит на уровне пикселя. Исторически это преобразование давало менее равномерный выходной сигнал.

Новые достижения в технологии КМОП за последние несколько лет помогли значительно уменьшить неравномерность в условиях низкой освещенности, и во многих приложениях высококлассные КМОП-сенсоры могут превзойти сравнимые ПЗС. Кроме того, КМОП потребляет меньше энергии, чем ПЗС, что делает их полезными для любого приложения с ограниченным пространством. Более дешевые КМОП-сенсоры с пикселями менее примерно 3 микрон все еще уступают ПЗС по качеству изображения. Различия в производительности выделены в таблице 3.

Рисунок 1: Размеры сенсоров для стандартных камер.

Размеры сенсоров для стандартных камер

Таблица 2: Разрешение камеры в зависимости от размера пикселя.

ПЗС- и КМОП-сенсоры

Таблица 3: ПЗС- и КМОП-сенсоры.

Спектральные свойства

В зависимости от требований приложения способность камеры воспроизводить цвет может быть полезна или нет. Сравнение монохромных, одночиповых цветных и трехчиповых цветных камер показано в таблице 4.

Монохромные и цветные камеры

Таблица 4: Сравнение монохромных, одночиповых цветных и трехчиповых цветных камер.

Монохромные камеры

ПЗС- и КМОП-сенсоры, будучи кремниевыми устройствами, чувствительны к длинам волн примерно от 350 до 1050 нм, хотя обычно указывается рабочий диапазон от 400 до 1000 нм. Эта чувствительность отображается кривой спектральной чувствительности сенсора (Рисунок 2). Однако большинство высококачественных цветных и некоторых монохромных камер обеспечивают ИК-фильтр (отсекающий инфракрасное излучение) для формирования изображений specifically в видимом спектре.

Рисунок 2: Нормализованная спектральная чувствительность типичного монохромного ПЗС.

Цветные камеры

Твердотельный сенсор основан на фотоэлектрическом эффекте и, как следствие, не может различать цвета без дополнительных средств. Существует два типа цветных ПЗС-камер: одночиповые и трехчиповые. Одночиповые цветные ПЗС-камеры предлагают распространенное недорогое решение для визуализации и используют мозаичный (например, Байера) оптический фильтр, чтобы сделать разные пиксели чувствительными только к определенным длинам волн света. Затем цветное изображение восстанавливается программно с использованием алгоритма «демозаики», который интерполирует истинную цветовую информацию из сигналов RGB. Поскольку для распознавания цвета требуется больше пикселей, одночиповые цветные камеры по своей сути имеют более низкое разрешение, чем их монохромные аналоги. Трехчиповые цветные ПЗС-камеры (3CCD) разработаны для решения этой проблемы разрешения с помощью призмы, направляющей каждую часть падающего спектра на отдельный чип. Хотя 3CCD-камеры обычно обеспечивают чрезвычайно высокое разрешение и более точную цветопередачу, они имеют более низкую светочувствительность и могут быть дорогими.

Частота кадров и выдержка

Частота кадров относится к количеству полных кадров, формируемых в секунду. В высокоскоростных приложениях полезно выбирать более высокую частоту кадров, чтобы получать больше изображений объекта по мере его движения через поле зрения. Выдержка соответствует обратной величине времени экспонирования сенсора. Время экспонирования контролирует количество падающего света, собранного сенсором. Размытие изображения камеры (вызванное переэкспонированием) можно контролировать, уменьшая освещение или увеличивая выдержку (уменьшая время экспонирования).

Максимальная частота кадров для системы зависит от скорости считывания сенсора, скорости передачи данных интерфейса и количества пикселей (объема данных, передаваемых за кадр). Часто камера может работать с более высокой частотой кадров за счет уменьшения разрешения путем объединения пикселей (биннинга) или ограничения области интереса. Для цифровых камер экспозиция может составлять от десятков микросекунд до минут, хотя самые длинные экспозиции обычно практичны только для ПЗС-камер, которые имеют меньшие темновые токи и шум по сравнению с КМОП.

Электронный затвор: глобальный (Global shutter) vs. скользящий (Rolling shutter)

Глобальный затвор (Global shutter) аналогичен механическому затвору тем, что все пиксели экспонируются и дискретизируются одновременно, при этом считывание происходит последовательно; захват фотонов начинается и заканчивается одновременно для всех пикселей. С другой стороны, скользящий затвор (Rolling shutter) экспонирует, дискретизирует и считывает последовательно, это означает, что каждая строка изображения дискретизируется в немного разное время. Интуитивно понятно, что изображения движущихся объектов искажаются строчным затвором. Этот эффект можно минимизировать с помощью импульсной стробоскопической подсветки, запускаемой в тот момент времени, когда период накопления строк перекрывается. Обратите внимание, что это не является проблемой на низких скоростях. Реализация глобального затвора для КМОП требует более сложной архитектуры сенсора, чем стандартная модель строчного затвора, и поэтому они доступны не на всех КМОП-сенсорах. Сравнение глобального и скользящего затворов показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Сравнение смаза изображения при движении

Неподвижная печатная плата (А) и изображения движущейся печатной платы с глобальным затвором (B) и скользящем затвором (C).

Матричная и линейная камера

В зависимости от требований приложения специалист по внедрению системы должен выбрать между матричной или линейной камерой. В матричных камерах объектив фокусирует изображение объекта на матрицу сенсора, и изображение дискретизируется пикселями одновременно для реконструкции (Рисунок 4a).

Это удобно, если изображение не движется быстро или если объект не очень большой. В линейных камерах пиксели расположены линейно, и по мере движения объекта мимо камеры изображение снимается строка за строкой и реконструируется с помощью программного обеспечения (Рисунок 4b).

Рисунок 4: Иллюстрация матричной камеры (слева) и линейной камеры (справа).

Линейные матрицы способны обеспечить гораздо более высокое разрешение, чем матричные устройства: типичное максимальное горизонтальное разрешение матричных сенсоров составляет 4000 пикселей, в то время как 16000 пикселей в линейном устройстве не является чем-то необычным. Однако с линейными камерами объект должен точно перемещаться относительно камеры для построения изображения, что делает интеграцию гораздо более сложной. Краткий обзор матричных и линейных камер приведен в таблице.

Форматы цифровых камер

Стандартные конфигурации крепления камеры/объектива