kontakt kamery@atesystem.cz
kontakt +420 595 170 472

Díl 1: Řádkové kamery – typy a technologie

Vytvořil:

Tomáš Gřeš

Jak se vyznat v mnoha variantách řádkových kamer? Následující článek stručně vysvětlí rozdíly v uspořádání obrazových čipů a principech snímání. Zaměřeno na kamery JAI a Basler.

Snímání výrobků na pohyblivém pásu, inspekce potisku na odvíjející se roli papíru, třídění zrn rýže, kukuřice a jiných sypkých potravin, kontrola kvality ovoce, povrchová kontrola plechu ve válcovnách. To je jen stručný výčet aplikací, ve kterých se používají řádkové kamery.  Jejich doménou jsou zejména vysokorychlostní aplikace, ve kterých je třeba snímat s velmi vysokým rozlišením a zpracovávat obrovská množství dat v reálném čase. Tento článek má za cíl seznámit čtenáře s principy a technologiemi řádkových kamer a jejich nasazením v aplikacích strojového vidění.

Princip řádkové kamery

Řádková kamera obsahuje snímač, který má v principu jeden jediný řádek obrazových bodů (pixelů). Kamera pracuje v podstatě jako kancelářský skener. Pod kamerou se lineárně pohybuje snímaný objekt nebo pás a kamera jej snímá řádek po řádku a skládá dohromady obraz, který posílá ke zpracování do nadřazeného vision systému. Toto uspořádání umožňuje snímání pohyblivých materiálů vysokou rychlostí s poměrně velkými detaily.

Výhody řádkové kamery oproti maticové CCD kameře

Pokud bychom chtěli snímat pohybující se předměty klasickou kamerou s plošným snímačem, museli bychom volit velmi krátký expoziční čas a velmi intenzívní zábleskové světlo, abychom se vyhnuli rozmazání obrazu vlivem pohybu snímaného předmětu. Oproti tomu lineární snímač je až několikanásobně citlivější ve srovnání s plošným senzorem. Proto může snímat s velmi krátkým expozičním časem vysokou rychlostí v řádu desítek tisíc řádků za sekundu. Pro nasvícení snímaného místa nám postačí intenzívní liniové světlo, které soustřeďuje veškerý světelný tok do úzké linky. Také z pohledu optiky je řádková kamera lepším řešením, neboť vady a nepřesnosti objektivu se nám projevují pouze v jednom směru. Jednou z výhod je také rozlišení. Současnými řádkovými kamerami lze nasnímat obraz v příčném rozlišení až 16 tisíc bodů. Podélné rozlišení závisí pouze na frekvenci a době snímání kamery. Takovéto parametry nenabízí žádná komerčně dostupná maticová kamera.

Důvod vyšší citlivosti řádkové kamery je zřejmý z obrázku vlevo. Zatímco u maticového senzoru zaujímá část plochy pixelu zpracovávající elektronika, u lineárního senzoru je celá plocha pixelu vyhrazena pro světlocitlivou buňku a elektronika je umístěna bokem. Proto má řádková kamera až 2x vyšší citlivost oproti klasické kameře při stejné velikosti pixelu.

Přehled řádkových kamer:

Následující text seznámí čtenáře s různými typy kamer a jejich principy snímání.

Monochromatická řádková kamera

Basler racer line scan

Lineární senzor typu CMOS řádkové kamery Basler racerBasler racer

Basler racer je typickým zástupcem jednoduché lineární kamery, jejíž senzor tvoří jediný řádek pixelů. Senzor je vyroben pokročilou technologií CMOS s vysokou kvantovou účinností pro dosažení co nejlepší citlivosti.  Pixely senzoru jsou uspořádány tak, aby efektivně využívaly celou plochu pixelu. Kamera Basler racer a další podobné kamery dosahují rozlišení 2 až 12 tisíc obrazových bodů (označujeme jako 12k). Díky použité technologii snímače je možné dosáhnout maximální snímací frekvence až 80 kHz u varianty pro Camera link. Výhodou kamery je jednoduchá konstrukce, snadné nastavení a nízká cena.

Dual-line řádková kamera

Basler sprint line scan

Basler sprint monochrome

Uspořádání senzoru ve dvou řádcích u kamer Basler sprint umožňuje využívat unikátní funkce, kterými jiné kamery nedisponují. Je možné například zvýšit citlivost pomocí binningu, nebo zdvojnásobit frekvenci snímání střídáním řádků. Průměrováním lze také omezit vliv tepelného šumu a zvýšit tak odstup signál od šumu a dynamiku obrazu. Kamery Basler sprint mají pixely o velikosti 10x10 mikrometrů. Takto velká plocha pixelu zaručuje mimořádnou citlivost i při vysokých rychlostech snímání.

Basler sprint color

Barevné pixely na dvouřádkovém senzoru kamery  Basler sprint jsou v podstatě uspořádány stejně jako na maticovém barevném senzoru do tzv. Bayerovy masky. V jednom řádku se střídají červené a zelené pixely, v dalším řádku modré a zelené pixely. Každé místo je nasnímáno oběma řádky, takže vždy známe 2/3 barevné informace (R+G nebo B+G) a musíme dopočítat pouze jedinou barvu z okolních pixelů. Nejdůležitější zelenou barvu známe vždy. O interpretaci barev se zpravidla stará ovladač na straně počítače a do aplikace přichází již barevný obraz. Výhodou kamer Basler sprint je vysoká rychlost snímání a nízká cena kamery a objektivu. Nevýhodou je již zmíněná nutnost interpolace třetí barvy, což ve zvláště náročných aplikacích může být nedostatečné.

Barevná tří-řádková kamera (tri-line)

Basler runner

Tri-Line camera Basler runnerBasler runner Tri-line Color

Jednoduché uspořádání tří řádků u kamery Basler runner umožňuje souběžné snímání červené, zelené a modré, ze kterých se potom skládá barevný obraz. Výhodou tohoto uspořádání je nízká cena kamery a jednoduchá optika. Nevýhodou je skutečnost, že mezi řádky je určitá mezera, která způsobí, že v jeden okamžik snímáme vlastně každou barvou jiné místo pásu. Pokud bychom použili takto nasnímaná data bez jakékoli úpravy, tak by se v obraze projevil posun barev, tzv. halo. Například kamery Basler runner mají pro tento případ vestavěnou hardwarovou korekci, takže počítač již přijímá správně opravený obraz. Pro rovné povrchy pohybující se konstantní rychlostí je kamera Basler runner vhodným a ekonomickým řešením. Pro nerovné, válcové a nestejnoměrně se pohybující předměty je vhodnější použití 3CCD kamery.

3CCD barevná kamera

3CCD kameraJAI Sweep+ 3CCD

3CCD kamera JAI Sweep+ obsahuje tři snímače, které jsou nalepeny na stěnách optického hranolu s dichroickými filtry. Světlo přicházející do kamery je hranolem rozděleno na jednotlivé vlnové délky, takže každý senzor je citlivý na jinou barvu (červená, modrá, zelená). Senzory jsou vzájemně srovnány s přesností ¼ obrazového bodu. Nevýhodou kamer je vyšší cena oproti třířádkovým kamerám a nutnost použití objektivu pro 3CCD kamery. Výhodou vícečipových kamer JAI Sweep+ je extrémně přesná interpretace barev díky použitým filtrům, takže se používají pro kontrolu barevných potisků a snímání kvality ovoce. Geometrické uspořádání senzorů umožňuje snímat všechny barvy v jednom místě, takže odpadá problém s halo efektem. Déle je možné snímat nerovné povrchy, sypající se zrna a nerovnoměrně se pohybující pásy. 

4CCD multispektrální kamera

JAI Sweep+ 4CCD

4CCD kamera JAI Sweep+ je obměnou 3CCD kamery, která obsahuje navíc jeden kanál pro snímání v blízkém infračerveném pásmu okolo 850 nm. Příkladem čtyřčipové kamery je například JAI LQ-200CL. Obraz ze čtvrtého infračerveného kanálu je využíván například pro vyhodnocení čerstvosti ovoce, zralosti plodin na poli, nebo při inspekci povrchu potiskovaného materiálu.

Příklad použití 4CCD kamery při kontrole kvality potravin

Obrázek: Příklad použití 4CCD kamery při kontrole kvality potravin (vlevo barevný obraz, vpravo NIR)

Zdroje obrázků a informací

Logo
Top