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Tecnología de las cámaras de visión artificial

Las cá­ma­ras de vi­sión ar­ti­fi­cial de­sem­pe­ñan un papel de­ci­si­vo en las apli­ca­cio­nes de vi­sión, es­pe­cial­men­te en el con­trol de ca­li­dad au­to­ma­ti­za­do. En com­bi­na­ción con los con­tro­la­do­res de vi­sión ar­ti­fi­cial y el soft­wa­re de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes 2D, se ana­li­zan los datos de imá­ge­nes de alta re­so­lu­ción y se iden­ti­fi­can erro­res e irre­gu­la­ri­da­des en los pro­ce­sos de pro­duc­ción.

Definición
Comparación de tecnologías
Posibilidades de aplicación
Flächen- und Zeilenkameras
Global und Rolling Shutter
Monochrom vs. Farbkamera

¿Qué es una cá­ma­ra de vi­sión ar­ti­fi­cial?

Una cá­ma­ra de vi­sión ar­ti­fi­cial, tam­bién lla­ma­da cá­ma­ra in­dus­trial, es un com­po­nen­te im­por­tan­te de los sis­te­mas de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes 2D. Su fun­ción prin­ci­pal es cap­tu­rar imá­ge­nes que, a con­ti­nua­ción, se pro­ce­san me­dian­te una com­bi­na­ción de hard­wa­re y soft­wa­re. La in­for­ma­ción ob­te­ni­da se pro­ce­sa para di­fe­ren­tes apli­ca­cio­nes.

Un ejem­plo tí­pi­co de una apli­ca­ción de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes en un sis­te­ma de fa­bri­ca­ción es el con­trol de ca­li­dad, el con­trol de pre­sen­cia y el con­trol de in­te­gri­dad. Aquí se ana­li­za una ca­rac­te­rís­ti­ca es­pe­cí­fi­ca de una pieza que se pro­du­ce en una ca­de­na de pro­duc­ción. De este modo, se puede com­pro­bar si la pieza cum­ple los cri­te­rios de ca­li­dad o si debe des­car­tar­se en caso ne­ce­sa­rio.

La cá­ma­ra forma parte del sis­te­ma de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes. Cons­ta de los si­guien­tes com­po­nen­tes:

Com­po­nen­tes prin­ci­pa­les de los sis­te­mas de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes 2D

Iluminación icono gris
Iluminación
Lente
Filtro para lente
Cámara de visión artificial
Controlador de visión artificial
Software

Guía para la se­lec­ción de la lente ade­cua­da

De­ter­mi­ne de forma sen­ci­lla y au­to­má­ti­ca la lente ade­cua­da para la cá­ma­ra in­dus­trial a tra­vés de la cal­cu­la­do­ra de vi­sión:

Di­fe­ren­cia entre cá­ma­ras de vi­sión ar­ti­fi­cial y Smart Ca­me­ras

Cá­ma­ras de vi­sión ar­ti­fi­cial

  • La eva­lua­ción de imá­ge­nes se rea­li­za a tra­vés del con­tro­la­dor de vi­sión ar­ti­fi­cial y el soft­wa­re de pro­ce­sa­mien­to de imá­ge­nes

  • Po­si­bi­li­dad de co­nec­tar va­rias cá­ma­ras a un único con­tro­la­dor de vi­sión ar­ti­fi­cial

  • Tiem­pos de pro­ce­so más rá­pi­dos gra­cias a la alta po­ten­cia de cálcu­lo del con­tro­la­dor de vi­sión ar­ti­fi­cial

  • Ade­cua­das para ta­reas de ins­pec­ción de muy alta re­so­lu­ción

  • For­ma­to com­pac­to de la cá­ma­ra



 

Smart Ca­me­ras

  • La cap­tu­ra y eva­lua­ción de imá­ge­nes se rea­li­za en la cá­ma­ra in­te­li­gen­te

  • Sa­li­da de datos a tra­vés de in­ter­fa­ces in­te­gra­das

  • Tec­no­lo­gía de ilu­mi­na­ción in­te­gra­da op­cio­nal­men­te

  • No re­quie­re nin­gún con­tro­la­dor adi­cio­nal



 

Po­si­bi­li­da­des de uso de las cá­ma­ras de vi­sión ar­ti­fi­cial

Con­trol de po­si­ción

Po­si­cio­na­mien­to de ro­bots

Me­di­ción de pie­zas

Con­trol de ca­li­dad

Con­trol de pre­sen­cia

Su­per­vi­sión de pro­ce­sos

Lec­tu­ra de có­di­gos

So­lu­ción fia­ble para apli­ca­cio­nes mul­ti­sec­to­ria­les

In­dus­tria del au­to­mó­vil

  • Ins­pec­ción de ca­li­dad de puer­tas in­te­rio­res de tu­ris­mos

  • Ins­pec­ción de ca­li­dad de blo­ques de motor

  • De­tec­ción de la po­si­ción para el ator­ni­lla­do au­to­ma­ti­za­do

In­dus­tria eléc­tri­ca

  • Con­trol de po­si­ción de pla­cas de cir­cui­to im­pre­so

  • Con­trol de la ali­nea­ción de los com­po­nen­tes

  • Ins­pec­ción de co­nec­to­res de en­chu­fe y ca­bles

Pac­ka­ging In­dustry

  • Check pac­ka­ges for da­ma­ge, con­ta­mi­na­tion or mis­sing la­bels

  • Label ins­pec­tion of pac­ka­ging

  • Mi­ni­mum shelf life test on PET bottles

Le­bens­mit­te­l­in­dus­trie

  • Aus­rich­tung von Getränkedosen 

  • La­bel­kon­tro­lle an Ver­pac­kun­gen

  • Ins­pek­tion von Tethe­red Caps

Das ist der Un­ters­chied zwis­chen Flächen-​ und Zei­len­ka­me­ras

Die fol­gen­de Ta­be­lle fasst die Haup­tun­ters­chie­de zwis­chen Flächen-​ und Zei­len­ka­me­ras zu­sam­men:

Flächenkameras

Bil­dauf­nah­me von vollständigen 2D-​Flächen (mit einer Auf­nah­me)
Hohe Bildqualität
Ideal für stationäre Ob­jek­te
Geeig­net für die all­ge­mei­ne Bild­ve­rar­bei­tung



Zei­len­ka­me­ras

Bil­der­fas­sung er­folgt zei­len­wei­se  (Be­we­gung ist not­wen­dig, um das Ob­jekt zu er­fas­sen)
Bildqualität abhängig von der Be­we­gung und Bil­dauf­nah­me­zeit­punkt
Ideal für An­wen­dun­gen mit be­weg­ten Ob­jek­ten und End­los­ma­te­ria­lien 
Hohe Gesch­win­dig­keit

Funk­tions­wei­se von CMOS-​Sensoren mit Glo­bal oder Ro­lling Shut­ter

Bei CMOS-​Bildsensoren gibt es zwei Be­lich­tungs­ver­fah­ren, wel­che steuern, wie ein Bild auf­ge­nom­men und aus­ge­le­sen wird. Diese Ver­fah­ren bes­tim­men die Be­lich­tungs­zeit und somit die Licht­men­ge, die im Ka­me­ra­sen­sor in Elek­tro­nen um­ge­wan­delt als Wert aus­ge­ge­ben wird. Man un­ters­chei­det zwis­chen Glo­bal Shut­ter und Ro­lling Shut­ter:

Glo­bal Shut­ter

Ge­sam­te Bildfläche wird zeit­gleich be­lich­tet 
Für sta­tis­che und dy­na­mis­che An­wen­dun­gen
Keine Bild­ver­ze­rrung bei be­weg­ten Ob­jek­ten

Ro­lling Shut­ter

Zei­len wer­den zeitlich ver­setzt be­lich­tet
Für sta­tis­che An­wen­dun­gen
Bild­ver­ze­rrun­gen bei sch­ne­llen Ob­jekt­be­we­gun­gen (Ro­lling Shut­ter Ef­fekt)
Auf­nah­me von Stand­bil­dern 

Der Ro­lling Shut­ter Ef­fekt

Beim Ro­lling Shut­ter ist die Be­lich­tungs­zeit für alle Pixel des Sen­sors gleich, je­doch er­folgt die Be­lich­tung der ein­zel­nen Zei­len na­chei­nan­der mit einer zeitli­chen Verzögerung. Der Ro­lling Shut­ter Ef­fekt tritt auf, wenn ein Ob­jekt sich sch­ne­ller be­wegt als die Belichtungs-​ und Aus­le­se­zeit, wo­durch das Bild auf­grund der Be­lich­tung ver­zerrt wird.

Monochrom-​ oder Farb­ka­me­ra? Wann ver­wen­de ich was?

Tatsächliches Bild

Bil­dauf­nah­me mit einer Mo­no­chrom­ka­me­ra

Eine Mo­no­chrom­ka­me­ra ist in der Lage, die Ob­jek­te vom Hin­ter­grund zu un­ters­chei­den.

Bil­dauf­nah­me mit einer Farb­ka­me­ra

Eine Farb­ka­me­ra ist in der Lage, die Ob­jek­te vo­nei­nan­der und vom Hin­ter­grund zu un­ters­chei­den.

In der in­dus­trie­llen Bild­ve­rar­bei­tung un­ters­chei­det man zwis­chen Monochrom-​ und Farb­ka­me­ras. Mo­no­chrom­ka­me­ras er­fas­sen Graus­tu­fen und kon­zen­trie­ren sich dabei auf die He­llig­keitsun­ters­chie­de im Bild. Da­durch sind sie be­son­ders gut für An­wen­dun­gen geeig­net, die feine Kon­tras­te und De­tails er­for­dern wie z. B. bei der Ins­pek­tion von Oberflächen oder der Mes­sung von Ob­jek­ten.

Farb­ka­me­ras hin­ge­gen können Far­bin­for­ma­tio­nen auf­neh­men, was ihnen ermöglicht, Oberflächen präziser zu er­fas­sen. Sie analy­sie­ren das ge­sam­te Farbs­pek­trum und bie­ten da­durch eine de­tai­llier­te­re und viel­sei­ti­ge­re Bild­wie­der­ga­be. Dies macht sie ideal für An­wen­dun­gen, bei denen Farbe eine wich­ti­ge Rolle spielt, wie z. B. in der Qualitätskontrolle von Pro­duk­ten, wo Far­bun­ters­chie­de auf Ma­te­rial­feh­ler hin­wei­sen können.

Das ist beim Ein­bau von Ma­chi­ne Vi­sion Ca­me­ras zu beach­ten

Um eine zuverlässig Bil­dauf­nah­me zu gewährleisten, sind bei der Jus­tie­rung der In­dus­trie­ka­me­ra fol­gen­de Hin­wei­se zu beach­ten.
Neben der op­ti­ma­len Aus­rich­tung der Ka­me­ra spielt die Po­si­tio­nie­rung der Be­leuch­tung eine wich­ti­ge Rolle. Die Form des zu un­ter­su­chen­den Ob­jekts ist en­ts­chei­dend für die Art und Weise, wie das Licht die Ka­me­ra erreicht, um einen möglichst hohen Kon­trast zu er­zeu­gen. Wich­tig zu beach­ten ist beis­piels­wei­se der Win­kel und die da­durch en­ts­tehen­den Re­fle­xio­nen. 

Die Sch­nit­ts­te­lle von Ma­chi­ne Vi­sion Ca­me­ras

Eine Ethernet-​Schnittstelle für in­dus­trie­lle Ka­me­ras ermöglicht die Übertragung von Bild­da­ten über ein Netz­werk. Diese Sch­nit­ts­te­lle wird häufig in der in­dus­trie­llen Bild­ve­rar­bei­tung ein­ge­setzt, um Ka­me­ras mit Ma­chi­ne Vi­sion Con­tro­llern oder an­de­ren Geräten zu ver­bin­den.

Gi­ga­bit Ether­net (GigE)

Gi­ga­bit Ether­net (GigE) ist eine Ethernet-​Technologie, die Datenübertragungsraten von bis zu 1 Gi­ga­bit pro Se­kun­de (1 Gbit/s) ermöglicht. Die we­sentli­chen Merk­ma­le von Gi­ga­bit Ether­net im Zu­sam­menhang mit in­dus­trie­llen Ka­me­ras sind:
 

  • Sch­ne­lle Übertragung großer Bild­da­ten­men­gen

  • Ein­fa­che In­te­gra­tion dank Pro­to­kolls­tan­dard

  • Meh­re­re Ka­me­ras können in einem Netz­werk be­trie­ben wer­den


Zusätzlich bes­teht die Möglichkeit, die Ma­chi­ne Vi­sion Ca­me­ra über ein Kabel mit­tels PoE (Power over Ether­net) anzuschließen, wo­durch so­wohl die Strom­ver­sor­gung als auch die Datenübertragung über einen ein­zi­gen Ans­chluss er­fol­gen.


Auflösung

Die Auflösung eines Sen­sors gibt die An­zahl der Pixel an: je höher die Auflösung, desto klei­ner die Pixelgröße bei glei­cher Sensorgröße und desto fei­ner die er­kenn­ba­ren De­tails. Sen­so­ren können bei glei­chen Ab­mes­sun­gen un­ters­chied­li­che Auflösungen auf­wei­sen, da die Pixelgröße va­riie­ren kann. 

Bild­fre­quenz

Die Bild­fre­quenz, gibt die An­zahl der vollständigen Bil­der an, die eine Ka­me­ra pro Se­kun­de er­fasst. Eine höhere Bild­fre­quenz ermöglicht viele Bil­dauf­nah­men bei An­wen­dun­gen mit sch­ne­llen Abläufen.

Be­lich­tungs­zeit

Die Be­lich­tungs­zeit bes­timmt, wie viel Licht auf den CMOS-​Sensor fällt und beein­flusst somit die He­llig­keit des auf­ge­nom­me­nen Bil­des. Eine längere Be­lich­tungs­zeit führt zu he­lle­ren Bil­dern, kann je­doch auch zu Bewegungsunschärfe und erhöhtem Bil­draus­chen führen. Eine kurze Be­lich­tungs­zeit ermöglicht sch­ne­lle An­wen­dun­gen und re­du­ziert die damit ver­bun­de­ne Bewegungsunschärfe. 

Die pas­sen­de Auflösung für jede An­wen­dung

AuflösungGe­nauig­keitBeis­pie­le
1,6 MPAn­wen­dun­gen, die keine ex­trem hohe Auflösung er­for­dernOp­tis­che Zei­che­ner­ken­nung, Mon­ta­ge­kon­tro­lle, An­we­senheits­kon­tro­lle
5 MPAn­wen­dun­gen, die eine mittle­re De­tail­ge­nauig­keit er­for­dernIns­pek­tio­nen von Ver­pac­kun­gen
12 MPAn­wen­dun­gen, die eine hohe Präzision er­for­dernIns­pek­tion fei­ner me­cha­nis­cher Teile
24 MPAn­wen­dun­gen, die eine sehr hohe Auflösung und De­tail­ge­nauig­keit er­for­dernPrüfung von Lei­ter­plat­ten auf feh­lerhaf­te Bau­tei­le
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