산업용 카메라는 머신 비전 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 이들의 기본 기능은 빛 신호를 조직화된 전기 신호로 변환하여 디지털 이미지를 획득하는 것입니다. 그들은 산업 생산, 검사, 측정 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 그들의 이미징 원리는 핀홀 이미징과 유사하지만 더 복잡합니다. 피사체에서 반사된 빛은 산업용 렌즈를 통과한 후 굴절되어 카메라의 감광 센서에 투사됩니다. 이 센서는 일반적으로 CCD(전하결합소자) 또는 CMOS(상보성 금속{6}}산화물 반도체(CMOS) 센서입니다.
1. 작동 원리
이미지 획득:피사체에서 반사되거나 투과된 빛은 렌즈를 통해 수집되어 이미지 센서에 집중됩니다.
광전 변환:이미지 센서(일반적으로 CCD 또는 CMOS)는 빛 신호를 전기 신호로 변환합니다. CMOS 센서를 예로 들면, 각 픽셀에는 조명을 받을 때 빛의 강도에 비례하여 전하를 생성하는 포토다이오드가 포함되어 있으며, 이는 전압 신호로 변환됩니다.
신호 처리:증폭된 전기 신호는 아날로그{0}}-디지털 변환기(ADC)를 거쳐 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환합니다. 이러한 디지털 신호는 처리되어 디지털 이미지 데이터를 형성하고 후속 분석을 위해 컴퓨터나 기타 장치로 전송됩니다.
2. 산업용 카메라의 주요 특징
높은 신뢰성:산업용 카메라는 장시간 연속 작동이 가능하도록 설계되어 고온, 다습, 진동 등 열악한 환경에서도 안정적인 성능을 보장합니다.
고성능:고해상도, 높은 프레임 속도, 넓은 다이내믹 레인지, 고감도를 제공하여 정밀 검사 및 고속 캡처에 대한 요구를 충족합니다.-
모듈형 디자인:일반적으로 다양한 산업 장비 및 시스템에 완벽하게 통합하기 위해 모듈식 아키텍처를 사용합니다.
다양한 인터페이스:다양한 대역폭 및 거리 요구 사항을 수용할 수 있도록 다양한 인터페이스 유형(예: GigE, USB 3.0, Camera Link, CoaXPress)을 지원합니다.
유연한 구성:다양한 애플리케이션 시나리오에 적응할 수 있도록 여러 트리거 모드, 노출 제어 및 이미지 처리 기능을 지원합니다.
3. 분류방법
이미지 센서 유형별:
CCD 카메라:높은 이미지 품질과 낮은 노이즈를 제공하며-조도가 낮은 환경에서 탁월하지만 비용과 전력 소비가 더 높습니다. CMOS 카메라는 비용 효율적이고-전력이 낮으며 빠른 데이터 판독 기능을 갖추고 있지만 이미지 품질은 약간 떨어집니다.
출력 색상별:컬러 카메라와 흑백(흑백-및-) 카메라로 분류됩니다. 컬러 카메라는 물체의 풍부한 색상 정보를 캡처하여 식품 외관 검사 및 인쇄물 색상 검증과 같이 색상 정확성이 요구되는 응용 분야에 적합합니다. 흑백 카메라는 감광도가 더 뛰어나며 물체의 회색조 변화와 질감 세부 사항을 감지하는 데 탁월합니다. 이는 치수 측정 및 결함 감지와 같이 높은 정밀도가 필요한 시나리오에 일반적으로 사용됩니다.
스캔 방법별:
영역 스캔 카메라는 이미지의 전체 프레임을 한 번에 캡처하므로 정지된 물체나 느린 속도로 움직이는 물체를 감지하는 데 적합합니다. 라인-스캔 카메라는 한 번에 이미지의 한 라인을 캡처하여 물체와 카메라 사이의 상대적인 움직임을 통해 완전한 이미지를 구성합니다. 이는 일반적으로 고속으로 움직이는 물체를 감지하는 데 사용되며-인쇄 재료의 인라인 검사 및 금속 시트의 표면 검사와 같은-고정밀 1차원 측정에 사용됩니다.-
출력 신호 유형별:아날로그 카메라와 디지털 카메라.
응답 주파수 범위별:가시광선(표준) 카메라, 적외선 카메라, 자외선 카메라 등
4. 주요 매개변수 계산
(1) 결의
정의:카메라 이미지 센서의 해상도에 따라 결정되는 이미지 프레임당 캡처된 픽셀 수입니다. 이는 센서의 대상 평면에 배열된 픽셀의 수량을 나타냅니다.
영향:이미지를 캡처하는 동안 카메라 해상도는 이미지 품질에 큰 영향을 미칩니다. 동일한 시야(장면 범위)를 이미징할 때 해상도가 높을수록 세부적인 표현이 더 뚜렷해집니다.
대표:영역{0}스캔 카메라의 경우 해상도는 일반적으로 수평(H) 및 수직(V) 해상도의 두 숫자로 표현됩니다(예: 1920(H) x 1080(V)). 첫 번째 숫자는 행당 픽셀 수를 나타내고 두 번째 숫자는 픽셀 행 수를 나타냅니다. 라인-스캔 카메라의 경우 해상도는 일반적으로 1K(1024), 2K(2048), 4K(4096) 등과 같이 천(K) 단위로 표시됩니다.
총 픽셀=가로 픽셀 × 세로 픽셀
예:1920×1080=2,073,600픽셀(약 200만 픽셀)
(2) 픽셀 심도
정의:픽셀당 비트 수로, 일반적으로 비트 단위로 표시됩니다.
영향:픽셀 심도는 이미지 회색조의 풍부함을 결정합니다. 비트가 많을수록 이미지 세부 표현 능력이 향상되어 더 풍부하고 미세한 그레이스케일 값이 생성됩니다. 그러나 이로 인해 데이터 볼륨도 증가하여 잠재적으로 시스템의 이미지 처리 속도에 영향을 미칠 수 있습니다.
공통 가치:8비트가 가장 일반적으로 사용됩니다. 디지털 카메라에는 10비트, 12비트 또는 14비트 구성이 있을 수도 있습니다.
(3) 최대 프레임 속도/라인 속도
정의:카메라가 이미지를 캡처하고 전송하는 속도입니다.
대표:프레임 속도는 일반적으로 영역 스캔 산업용 카메라에 적용되며 fps(초당 프레임 수)로 측정됩니다. 예를 들어 181fps는 카메라가 초당 최대 181프레임을 캡처할 수 있음을 나타냅니다. 라인 속도는 라인 스캔 산업용 카메라에 적용되며 kHz로 측정됩니다. 예를 들어 80kHz는 카메라가 초당 최대 80,000라인의 이미지 데이터를 캡처할 수 있음을 나타냅니다.
영향:프레임 속도/라인 주파수가 높을수록 카메라는 단위 시간당 더 많은 이미지를 캡처할 수 있으므로 빠른 모션 캡처가 필요한 시나리오에 적합합니다.
계산 방법:프레임 속도=3 × 목표 속도 / 수평 시야; 라인 주파수=동작 속도 / 실제 정확도=동작 속도 × 해상도 / 시야.
응용 시나리오에서 객체의 모션 속도를 기반으로 필요한 프레임 속도를 결정합니다. 물체 속도 V(단위: mm/s)와 카메라 노출 시간 T(단위: s)를 가정할 때, 노출 중 물체의 변위는 하나의 픽셀 크기 P(단위: mm)를 초과해서는 안 되며, 프레임 속도 F는 다음과 같습니다.다음과 같이 계산됩니다.F=1/T, 여기서 T는 P/V보다 작거나 같습니다.
(4) 노출 방식 및 셔터 속도
노출 모드:라인-스캔 카메라의 경우 프로그레시브 스캔 노출이 일반적입니다. 영역-스캔 카메라는 일반적으로 프레임 노출, 필드 노출 또는 롤링 셔터 노출을 사용합니다.
셔터 속도:더 빠른 속도를 낼 수 있는 고속 카메라를 사용하면 일반적으로 10마이크로초까지 달성할 수 있습니다. 셔터 속도가 빨라지면 카메라의 이미지 캡처 능력이 향상되므로 조명 조건이 빠르게 변하거나 피사체가 움직이는 시나리오에 적합합니다.
(5) 픽셀 크기(픽셀 크기)
정의:픽셀은 디지털 이미지를 구성하는 가장 작은 단위입니다. 픽셀 크기와 픽셀 수(해상도)에 따라 카메라의 대상 영역 크기가 결정됩니다.
공통 가치:산업용 카메라 픽셀 크기는 일반적으로 3μm~14μm입니다.
영향:픽셀이 클수록 더 많은 광자를 캡처하여 동일한 조명 및 노출 조건에서 더 많은 전하를 생성하여 잠재적으로 더 높은 이미지 품질을 얻을 수 있습니다. 그러나 픽셀 크기가 작을수록 제조 복잡성이 증가합니다.
계산:해상도와 카메라 센서 크기에 따라 다릅니다. 예를 들어 센서 크기가 Sa × Sb(가로 × 세로 치수(mm))이고 카메라 해상도가 Na × Nb인 경우 픽셀 크기 P(정사각형 픽셀 가정)는 P=Sa × 1000 / Na=Sb × 1000 / Nb입니다.
(6) 스펙트럼 범위
정의:다양한 빛의 파장에 대한 픽셀 센서의 감도 특성을 나타냅니다.
일반 범위:일반적으로 350nm~1000nm 사이에서 반응합니다. 일부 카메라에는 적외선을 차단하기 위해 센서 앞에 필터가 통합되어 있습니다. 시스템에 적외선 감도가 필요한 경우 이 필터를 제거할 수 있습니다.
(7) 인터페이스 유형
일반적인 유형:Camera Link, 이더넷, 1394, USB 출력 등 최신 인터페이스는 CoaXPress입니다.
영향:인터페이스 유형에 따라 카메라와 이미지 처리 시스템 또는 기타 장치 간에 데이터가 전송되는 방식이 결정됩니다. 적절한 인터페이스를 선택하면 안정적이고 빠른 데이터 전송이 보장됩니다.
(8) 센서 크기
정의:일반적으로 인치(예: 1/2.3") 또는 밀리미터(예: 12.8mm × 9.6mm)로 표시되는 카메라 센서의 물리적 크기입니다.
계산 방법:
센서 크기는 일반적으로 제조업체에서 제공하지만 픽셀 크기와 해상도를 통해 추정할 수 있습니다.
센서 너비=가로 픽셀 수 × 픽셀 크기
센서 높이=수직 픽셀 수 × 픽셀 크기
(9) 기타 매개변수
동적 범위:각 픽셀이 구별할 수 있는 회색 레벨 수를 설명합니다. 넓은 다이내믹 레인지를 통해 장면의 밝은 부분과 어두운 부분 모두의 디테일을 선명하게 포착할 수 있습니다.
소음:실제 이미징 대상과 관련이 없는 이미징 중에 캡처된 원치 않는 신호입니다. EMVA(유럽 머신 비전 협회)의 EMVA1288 표준에 따르면 카메라 노이즈는 크게 두 가지 유형으로 분류됩니다. 즉, 유효 신호에서 파생된 샷 노이즈와 신호와 관계없이 카메라 자체에 내재된 고유 노이즈입니다.
5. 적용분야 및 장점
산업용 카메라는 자동화된 생산 라인, 머신 비전 시스템, 의료 영상, 물류 및 창고 보관, 보안 감시, 교통 모니터링은 물론 군사 및 항공 애플리케이션의 품질 관리에 널리 사용됩니다. 장점은 다음과 같습니다.
고성능 및 안정성:산업용 카메라는 높은 이미지 안정성, 강력한 전송 기능, 강력한 간섭 저항을 제공하므로 열악한 조건에서도 장기간 안정적으로 작동할 수 있습니다.
높은 정밀도 및 측정 기능:고해상도 이미지 캡처와 정밀한 이미지 분석 알고리즘을 통해{0}}산업용 카메라는 고정밀 측정 및 위치 지정을 달성합니다.{1}
고속-속도 캡처 기능:높은-프레임-속도의 산업용 카메라는 역동적인 이미지를 빠르게 캡처하므로 빠르게 움직이는 물체를 촬영하고 모니터링하는 데 적합합니다.-
폭넓은 적응성:다양한 산업용 카메라 유형은 다양한 응용 시나리오와 요구 사항을 충족하여 복잡한 이미징 및 분석 작업을 수행합니다.
6. 유명 브랜드
선도적인 글로벌 산업용 카메라 브랜드로는 Cognex, Keyence, 캐나다의 Teledyne DALSA, FLIR, Lumennera, 일본의 AVALDATA, 한국의 VIEWORKS, Daheng Imaging 및 Hikvision이 있습니다. 이들 브랜드는 탁월한 성능과 광범위한 적용 분야로 높은 평가를 받고 있습니다.
요약하면, 산업용 카메라는 머신 비전 시스템 내에서 중요한 구성 요소 역할을 하며 산업 자동화 및 지능형 제조에서 중요한 역할을 합니다. 적절한 산업용 카메라를 선택하고 고급 이미지 분석 알고리즘을 통합하면 보다 효율적이고 정확하며 안정적인 자동화 생산 및 품질 관리가 가능합니다.