Обсуждения технических характеристик инспекционных камер, как правило, сводятся к одному показателю: мегапикселям. Этот показатель удобно сравнивать в коммерческих предложениях и он легко помещается в техническом паспорте. Однако с разных сторон поступают одинаковые жалобы. Камера с высоким разрешением по-прежнему пропускает царапины, которые улавливает система с более низким разрешением на соседней линии, в то время как скромный датчик, ориентированный на небольшое поле обзора, превосходит по эффективности оборудование, стоимость которого в несколько раз выше.
Наименьший дефект, который может обнаружить камера, определяется не только её разрешением. Он зависит от пространственного масштаба одного пикселя на детали, который равен полю зрения, деленному на количество пикселей по данной оси. Согласно теории дискретизации, дефект должен охватывать как минимум два пикселя, чтобы его можно было разглядеть вообще, от трёх до пяти — для надёжного обнаружения, и десять или более — при выполнении задачи измерения размеров. Размер пикселя, таким образом, определяет, сколько света собирает каждая точка дискретизации, а также то, сохраняется ли этот теоретический предел в реальных условиях, учитывая особенности оптики, освещения и движения.
В приведенных ниже разделах эти два показателя преобразуются в масштаб «миллиметры на пиксель», после чего проверяется, в каких случаях дискретизация, дифракция, контраст и скорость сужают круг возможных ответов.
Чем отличаются понятия «разрешение» и «размер пикселя»
Разрешение определяет количество точек отсчёта, а размер пикселя — расстояние между ними. Чем больше пикселей, тем более плотно они распределены по той же площади; при этом более крупные пиксели собирают больше света в каждой точке отсчёта. Ни один из этих показателей не даёт представления о том, что именно может обнаружить камера, пока оба не будут соотнесены с полем зрения и дефектом.
Оба параметра указаны рядом в каждом техническом паспорте, что наводит на мысль, что они представляют собой вариации одной и той же концепции. Один из них определяет количество точек измерения, а другой — ширину интервала дискретизации. Поскольку требования варьируются от простой проверки наличия до полного набора функции визуального контроля В случае смешанного набора ни одна комбинация не подходит для всех задач.
Разрешение — это количество пикселей
Разрешение — это количество пикселей на сенсоре, указываемое в виде прямоугольной матрицы. Сенсор размером 2 448 на 2 048 содержит чуть более пяти миллионов фотоэлементов и позиционируется как 5-мегапиксельный. Это общее число удобно для сравнения, но практически бесполезно с инженерной точки зрения, поскольку дефект, проходящий по горизонтали, ограничен 2 448 пикселями по этой оси. Пять мегапикселей при поле обзора 40 мм дают 0,016 мм на пиксель; при поле обзора 600 мм — 0,245 мм на пиксель, что в пятнадцать раз грубее, причем без каких-либо изменений в аппаратной части.
Размер пикселя — это интервал дискретизации
Размер пикселя — это физическая ширина одного фотоэлемента, выраженная в микрометрах. Умножив его на количество пикселей, можно получить размеры сенсора: матрица размером 1 024 на 1 024 с пикселями размером 5,5 микрометра занимает площадь 5,6 мм², тогда как такая же матрица, построенная из пикселей размером 3,45 микрометра, занимает площадь 3,5 мм². Фотоэлемент преобразует фотоны пропорционально своей площади, поэтому более крупный пиксель собирает примерно в два с половиной раза больше света. Более крупные пиксели обеспечивают более сильный сигнал; более мелкие — более высокую плотность дискретизации.
| Недвижимость | Разрешение камеры | Размер пикселя |
| Единица | пикселей | микрометры |
| Описывает | сколько проб отбирается | интервал между отсчетами |
| Увеличение этого показателя | более точная дискретизация в пределах фиксированной площади датчика | больше света на одну пробу, более грубая дискретизация |
| Влияние на мельчайший видимый дефект | разрешение в миллиметрах на пиксель | задает бюджет освещения для каждого сэмпла |
| Основные затраты | пропускная способность, частота кадров, качество объектива | чувствительность, динамический диапазон, площадь матрицы |
Расчет минимального размера дефекта, который может зафиксировать ваша камера
Разделите поле обзора на количество пикселей по этой оси, чтобы получить значение в миллиметрах на пиксель, а затем разделите самый маленький дефект на это значение, чтобы определить, сколько пикселей он занимает. Дефект шириной менее двух пикселей в принципе невозможно различить, а ширина от трех до пяти пикселей является практическим порогом для надежного обнаружения.
Оценка занимает две минуты и позволяет отсеять большинство неподходящих камер ещё до составления коммерческого предложения. Для этого требуются лишь данные о поле обзора, размере дефекта и количестве пикселей по одной оси.
Формула «миллиметры на пиксель»
Этот расчёт достаточно прост, чтобы выполнить его во время проверки коммерческого предложения, поэтому его часто пропускают. Число миллиметров на пиксель равно полю зрения по одной оси, деленному на количество пикселей по той же оси. Если необходимо отобразить 300 мм на 4 096 пикселей, каждый пиксель соответствует 0,073 мм, а дефект размером 0,3 мм занимает примерно четыре пикселя.
При расчете технических характеристик вычисления производятся в обратном порядке. Требуемое количество пикселей равняется поле зрения, деленному на размер дефекта и умноженному на количество пикселей, необходимое по ширине дефекта. Для дефекта размером 0,3 мм в поле зрения 300 мм, при целевом значении в четыре пикселя, результат составляет 4 000 пикселей по этой оси. Датчик с разрешением 4 096 пикселей соответствует требованию; датчик с разрешением 2 448 пикселей — нет, независимо от его мегапиксельного значения.
Сколько пикселей должно покрывать дефект
Универсальной постоянной не существует, поскольку ответ зависит от того, насколько сильно варьируется внешний вид дефекта. Отсутствующий компонент резко изменяет большую площадь; жемчужная царапина на матовой поверхности может изменить уровень серого на несколько процентов. Эти цифры являются скорее отправными точками для инженеров, чем стандартами, и каждую из них следует подтверждать на реальных образцах.
| Задача проверки | Количество пикселей по всей области | Аргументация |
| Наличие или отсутствие | от 2 до 3 | достаточно стабильного изменения площади |
| Обнаружение дефектов поверхности | от 3 до 5 | Контраст зависит от поверхности, угла зрения и освещения |
| Измерение размеров | 10 и более | преобладают допуск и повторяемость по краю |
| OCR и считывание кодов | 5 и более за один ход | Качество печати и искажения снижают рентабельность |
| Управление роботом | 5 или более на ориентире | Повторяемость положения важнее, чем размер |
Поле поглощает колебания; оно не улучшает качество изображения. Элемент, занимающий ровно один пиксель, мерцает, переходя от светлого к тёмному по мере смещения детали, и ни один классификатор не способен стабилизировать столь нестабильный сигнал.
Пример с расчетами для трёх значений размера поля зрения
Возьмите один 12-мегапиксельный датчик с матрицей из 4 096 пикселей и наведите его на три поля зрения. Камера остается неизменной, а возможности — меняются.
| Поле зрения | Миллиметры на пиксель | Двухпиксельный минимум | Практический предел — пять пикселей |
| 60 мм | 0.0146 | 0,029 мм | 0,073 мм |
| 300 мм | 0.073 | 0,146 мм | 0,366 мм |
| 600 мм | 0.146 | 0,293 мм | 0,732 мм |
Удвоение поля обзора приводит к уменьшению фактического разрешения вдвое, поэтому при охвате вдвое большей площади с помощью того же датчика размер дефекта, который остаётся обнаружимым, увеличивается вдвое. В случаях, когда одновременно требуются широкое поле обзора и высокая чувствительность к мелким дефектам, решением проблемы является использование большего количества камер, уменьшение поля обзора на каждую станцию или применение линейной схемы сканирования.
Почему предел Найквиста определяет физический нижний порог
Согласно теории дискретизации, для воссоздания образа требуется не менее двух отсчетов за цикл, что в контексте визуализации означает, что дефект должен быть отделен от окружающей области как минимум на один пиксель. Детали, ширина которых меньше примерно двух пикселей, остаются незаметными, независимо от настроек программного обеспечения.
Этот порог носит геометрический, а не электронный характер, поэтому он одинаково применяется ко всем комбинациям датчиков, объективов и алгоритмов.
Дискретизация, эффект наложения и правило двух пикселей
Представьте себе два ярких элемента, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Если расстояние между ними позволяет одному пикселю полностью поместиться в этом промежутке и не регистрировать сигнал, элементы выглядят отдельно. Если же промежуток уже, чем пиксель, то такая тёмная точка никогда не возникает, элементы сливаются, и информация исчезает, не успев быть распознанной каким-либо алгоритмом. Это и есть практическая форма Теорема о дискретизации Найквиста-Шеннона применяется в области обработки изображений, и именно поэтому мелкие пиксели расширяют возможности, в то время как интерполяция — нет.
Вблизи предела детализация не исчезает плавно. Она проявляется в виде ложного узора, полосы муара или края, который смещается при перемещении детали. Контролёры иногда принимают эти артефакты за реальные дефекты, из-за чего система с недостаточной частотой дискретизации оказывается хуже, чем система с явно недостаточным разрешением.
Когда объектив становится «узким местом»
Датчик может фиксировать только те детали, которые передает оптика. Диафрагма рассеивает свет, образуя не точку, а пятно, и диаметр этого пятна — диск Эйри — зависит от длины волны и числа f. При длине волны 550 нм и f/4 он составляет около 5,4 микрометра. Если установить за этим объективом матрицу с размером пикселя 2,4 микрометра, каждый пиксель будет охватывать область размытия, шире самого себя; дополнительные пиксели фиксируют размытие более точно, не раскрывая при этом дополнительных деталей. Принцип оптическое разрешение не допускает исключений: слабое звено определяет предел.
Какой размер пикселя считается оптимальным для камеры?
Не существует универсально правильного размера пикселя — есть только тот, который подходит для имеющегося освещения и требуемой детализации. Для общего промышленного контроля при контролируемом освещении оптимальным диапазоном является 3,45–5,5 микрометров; 2,4 микрометра подходят для работы с высоким увеличением на небольших полях зрения при ярком, равномерном освещении; 6 микрометров и более подходят для работы в условиях слабого освещения или при высокой скорости, когда качество сигнала важнее мелких деталей.
Выбор сужается, если зафиксировать три переменные: имеющееся освещение, ожидаемый контраст дефекта и скорость линии.
| Размер пикселя | Типичная должность | Сильные стороны | Ограничения |
| Около 2,4 микрометра | большое увеличение, небольшое поле зрения | наименьшее количество миллиметров на пиксель | сниженная полная ёмкость датчика, требующая освещения |
| Около 3,45 микрометров | обычный досмотр | сбалансированная детализация и сигнал | частота дискретизации объектива должна соответствовать частоте дискретизации |
| Около 4,8 микрометров | универсальное назначение, умеренная скорость | хорошее соотношение сигнал/шум, устойчивость к освещению | более крупный сенсор при том же количестве пикселей |
| от 5,5 до 6,5 микрометров | слабое освещение, высокая скорость, крупное поле зрения | высокая чувствительность, широкий динамический диапазон | более грубая дискретизация, более громоздкая оптика |
Каков минимальный размер пикселя?
Размер сенсоров для потребительских устройств в настоящее время составляет менее одного микрометра; они отлично подходят для фотографии, но являются неудовлетворительными решениями для контроля качества. В промышленности стандартный размер составляет от 2,2 до 2,4 микрометра, что обусловлено тремя ограничениями. Емкость полного колодца зависит от площади пикселя, поэтому уменьшение ширины пикселя вдвое снижает емкость в четыре раза и сужает динамический диапазон. Микролинзы над крошечными фотоэлементами эффективно принимают свет только при почти нормальном падении, поэтому лучи, падающие под углом, проникают в соседние пиксели, вызывая перекрестные помехи и ухудшая функцию передачи модуляции. Дифракция, в свою очередь, препятствует дальнейшему улучшению качества изображения, как только диск Эйри превышает несколько ширин пикселя.
Эта проблема воспринимается скорее как шум, а не как несоответствие техническим характеристикам. Меньший по размеру фотоэлемент собирает меньше фотонов при той же выдержке, поэтому отношение сигнал/шум снижается, и для компенсации необходимо увеличить выдержку или яркость освещения. В случае высокоскоростной линии ни один из этих вариантов недоступен. Именно в этом случае выбор разрешения становится выбором пропускной способности, и именно здесь измеренные характеристики сравниваются в рамках такой системы, как Стандарт EMVA 1288 имеют большее значение, чем количество пикселей в заголовке.
Разрешение, мегапиксели и стандарты видео
Разрешение 1080p составляет 1 920 на 1 080 пикселей, что соответствует примерно 2,1 мегапикселя, тогда как промышленный датчик с разрешением 12 мегапикселей обычно имеет размеры около 4 096 на 3 000 пикселей. Более крупное устройство имеет почти в шесть раз больше пикселей и более чем в два раза большее горизонтальное разрешение, поэтому эти два формата несопоставимы для целей контроля.
Эти два термина происходят из разных отраслей и отвечают на разные вопросы.
12 Мп — это то же самое, что 1080p?
Путаница возникает из-за того, что оба термина используются в сфере закупок в широком смысле: один заимствован из сферы телерадиовещания, а другой — из маркетинга сенсоров. Соотношение сторон имеет не меньшее значение, чем общее количество пикселей: 12-мегапиксельный сенсор с соотношением 16:9 содержит меньше вертикальных пикселей, чем сенсор с соотношением 4:3, и дефект, проходящий по вертикали, ограничивается более короткой осью.
| Формат | Массив пикселей | Мегапиксели | Горизонтальные пиксели |
| VGA | 640 на 480 | 0.3 | 640 |
| 720p | 1 280 на 720 | 0.9 | 1,280 |
| 1080p | 1 920 на 1 080 | 2.1 | 1,920 |
| 5 мегапикселей | 2 448 на 2 048 | 5.0 | 2,448 |
| 12 мегапикселей | 4 096 на 3 000 | 12.3 | 4,096 |
Какое разрешение камеры считается самым низким?
Официального минимального значения не существует, и датчики VGA с разрешением 640 × 480 по-прежнему используются там, где требуется грубое определение, например, для проверки, правильно ли деталь установлена в зажимное приспособление. Минимальное разрешение определяется арифметикой, а не общепринятыми нормами. Если ось с разрешением 640 пикселей охватывает 200 мм, каждый пиксель соответствует 0,31 мм, и реально обнаружить можно только дефекты размером примерно от 1 мм и выше. Там, где этого достаточно, датчик с низким разрешением является правильным выбором: он дешевле и проще в освещении. Там, где этого недостаточно, никакое программное обеспечение не сможет восполнить этот пробел.
Для обнаружения и измерения требуются разные разрешения
Обнаружение позволяет определить, присутствует ли объект; измерение — установить его размер в пределах заданного допуска. Для успешного обнаружения достаточно от трёх до пяти пикселей по ширине объекта, тогда как для измерения обычно требуется десять или более пикселей, а также калибровка, коррекция искажений и повторяемое расположение детали.
Покупатели часто выбирают камеру, ориентируясь на её измерительные характеристики, а затем оценивают её по результатам обнаружения, или наоборот. Система, которая надежно выявляет скол на кромке, может оказаться неспособной определить глубину скола с точностью до десяти микрометров. Для оптический измерительный прибор, при этом решающим фактором является погрешность всей цепочки: на неё влияют искажения объектива, погрешности перспективы, дрейф калибровки, повторяемость положения столика и резкость по краям.
Обработка на уровне субпикселей имеет свои ограничения
Алгоритмы субпиксельной обработки позволяют оценить положение четко выраженного края с точностью до доли пикселя, иногда до одной десятой, что полезно для калибровки и выравнивания. Однако это не заменяет разрешение. Край, который никогда не был разрешен, невозможно восстановить путем интерполяции между отсчетами, не содержащими информации о нём. Обработка на субпиксельном уровне уточняет измерение видимой детали; она не делает видимой то, что невидимо.
Что ещё ограничивает размер самого мелкого видимого дефекта
Разрешение и размер пикселя определяют, какую область может охватывать датчик, а не то, что может увидеть система. Контраст, фокусировка, глубина резкости и смазывание движения — каждый из этих факторов накладывает своё собственное ограничение, и результат зависит от самого строгого из них.
Приведенные ниже ограничения определяют, сохранится ли рассчитанное разрешение при внедрении в производственную линию.
Контраст зависит от освещения, а не от пикселей
Камера не может обнаружить дефект, который не вызывает изменения в падающем на неё свете. Мелкая царапина на полированном металле может исчезнуть при рассеянном фронтальном освещении и отчетливо проявиться при освещении в темном поле под малым углом, когда царапина рассеивает свет в направлении объектива, а окружающая поверхность — нет. Силуэт на фоне заднего света выявляет дефекты профиля, которые при фронтальном освещении никогда не видны. Разрешение обеспечивает детализацию; освещение обеспечивает разницу, которая придает деталям смысл.
Размытие движения и глубина резкости
Если деталь перемещается при открытом затворе, изображение получается смазанным. Степень смазывания в пикселях равна скорости детали, умноженной на время экспозиции и деленной на количество миллиметров на пиксель. При смазывании более чем на один пиксель мелкие детали теряются, а точность измерений ухудшается ещё раньше. Короткие выдержки решают проблему смазывания, но уменьшают количество собираемого света, в результате чего проблема вновь сводится к размеру пикселя и освещенности. Глубина резкости добавляет свои ограничения, поскольку детали, имеющие разную высоту или неплотно лежащие на конвейере, выходят за пределы полезной зоны фокусировки, а более точная выборка сужает эту зону.
Охват с нескольких ракурсов для сложных деталей
Одна камера видит только одну поверхность. Крепежные детали, соединители и литые детали имеют дефекты сразу на нескольких поверхностях, и проверка только верхней поверхности оставляет остальные непроверенными, независимо от разрешения. Обычно для решения этой проблемы используются многокамерные системы с несколькими камерами или поворотные устройства, поэтому оборудование для визуального контроля шестигранных изделий Существует: разрешение не может компенсировать геометрические искажения.
Как задать разрешение для задачи реального контроля
Начинайте с дефекта и поля обзора, а не с количества мегапикселей. Рассчитайте количество миллиметров на пиксель, предусмотрите запас, соответствующий поставленной задаче, убедитесь, что объектив способен разрешить этот масштаб, проверьте, что освещение позволяет обнаружить дефект, и только после этого приступайте к выбору оборудования.
Поставщик сможет быстро рассчитать размер системы, если все исходные данные будут предоставлены, а в противном случае его оценка будет неточной.
Что нужно учесть перед выбором камеры
- Полное поле обзора, включая изменения положения детали в его пределах.
- Наименьший дефект, при наличии которого изделие подлежит браку, измеряемый по его наименьшему размеру.
- Критерий приемки: обнаружение, классификация или измерение с соблюдением установленного допуска.
- Время цикла или скорость линии, которые определяют максимальную экспозицию и требуемую частоту кадров.
- Рабочее расстояние и любые механические ограничения, связанные с размещением камеры.
- Типичные образцы хорошего качества, бракованные образцы и образцы, находящиеся на грани приемлемости, демонстрирующие естественные колебания.
- Отделка поверхности и цвет, которые определяют стратегию освещения и контрастность.
С учетом этих исходных данных приведенные выше вычисления позволяют сформулировать обоснованную спецификацию. Применительно к системам сортировки это объясняет, почему показатели разрешения, указанные для оптическая сортировочная машина не имеет большого значения без учета скорости подачи, поля обзора на каждой станции и классов дефектов, которые она должна выделять. Машину, рассчитанную на высокое разрешение при работе с узкой полосой, нельзя сравнивать с машиной, охватывающей широкую ленту с вдвое меньшей плотностью пикселей.
Далее большинство проектов проходит по привычной схеме: расчет, который сужает круг вариантов; тестирование линз и освещения, которое исключает часть из них; и проверка на практике с использованием реальных образцов, которая подтверждает выбор оставшегося варианта.
Часто задаваемые вопросы
Сможет ли 5-мегапиксельная камера обнаружить дефект размером 0,05 мм?
Это возможно, но только в узком поле зрения. Датчик с осью разрешением 2 448 пикселей, рассчитанный на охватывание дефекта шириной в четыре пикселя, требует 0,0125 мм на пиксель, что ограничивает поле обзора примерно до 30 мм. За пределами этой ширины камера не может распознать дефект. Камера способна на это; ограничением является геометрия.
Снижается ли разрешение цветной камеры по сравнению с монохромной?
Снижение эффективного разрешения. Цветной датчик фильтрует каждый фотоэлемент, чтобы тот регистрировал один из основных цветов, а отсутствующие значения интерполируются на основе соседних. Это снижает достижимую функцию передачи модуляции и смягчает мелкие детали. Для тонкой работы с поверхностями по-прежнему лучше выбирать монохромный режим, а цветной режим следует использовать для задач, в которых оттенок несет различающую информацию.
В каких случаях линейная сканирующая камера должна заменить матричную сканирующую камеру?
Линейное сканирование подходит для непрерывных материалов, таких как пленка, лист, проволока или текстиль, а также для очень широких полей обзора, где для матричного датчика потребовалось бы чрезмерное количество пикселей, и для цилиндрических деталей, вращающихся в поле обзора. Разрешение вдоль направления сканирования определяется частотой сканирования и скоростью детали, а не количеством пикселей, поэтому расчет движения играет решающую роль.