Ένας κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο ρολό (global shutter) ελέγχει καλύτερα την θόλωση κίνησης σε σύγκριση με τους τύπους με κυλιόμενο ρολό (rolling shutter);

Κατά τη λήψη αντικειμένων που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, η ποιότητα της εικόνας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο με τον οποίο ο αισθητήρας καταγράφει το φως. Μια κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) εκτίθει ταυτόχρονα κάθε pixel, γεγονός που αποτελεί τη βάση του πλεονεκτήματός της έναντι των εναλλακτικών λύσεων με κυλιόμενο ρολό (rolling shutter). Αυτή η θεμελιώδης διαφορά καθορίζει εάν το σύστημα εικόνας σας παρέχει ευκρινή και αξιόπιστα δεδομένα ή υφίσταται παραμόρφωση που επηρεάζει αρνητικά την επεξεργασία σε επόμενα στάδια.

Η σύντομη απάντηση είναι ναι: μια κάμερα με γενικό ρολό (global shutter) κάμερα μηχανικής όρασης εξαλείφει την αισθητή θόλωση κίνησης πιο αποτελεσματικά από τους τύπους με κυλιόμενο κλείσιμο (rolling shutter) στην τεράστια πλειοψηφία των βιομηχανικών εφαρμογών επιθεώρησης και αυτοματισμού. Ωστόσο, η κατανόηση του ακριβούς λόγου για τον οποίο συμβαίνει αυτό, καθώς και των περιπτώσεων όπου αυτό το πλεονέκτημα είναι ιδιαίτερα κρίσιμο, βοηθά τους μηχανικούς και τις ομάδες προμηθειών να λαμβάνουν πιο ενημερωμένες αποφάσεις αγοράς. Το παρόν άρθρο αναλύει λεπτομερώς τη λειτουργία, τα πρακτικά οφέλη και την καταλληλότητα εφαρμογής της μηχανικής κάμερας όρασης με παγκόσμιο κλείσιμο (global shutter), σε απευθείας σύγκριση με την αντίστοιχη κάμερα με κυλιόμενο κλείσιμο.

Πώς επηρεάζουν οι μηχανισμοί κλεισίματος την ευκρίνεια της εικόνας

Η βασική διαφορά στον χρόνο έκθεσης των pixel

Μια κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο εκτυπωτή (global shutter) καταγράφει όλες τις εικονοστοιχείες (pixels) ακριβώς την ίδια στιγμή. Ο αισθητήρας διαβάζει ολόκληρο το πλαίσιο ταυτόχρονα, πράγμα που σημαίνει ότι κανένα τμήμα της εικόνας δεν καταγράφεται νωρίτερα ή αργότερα από οποιοδήποτε άλλο. Αυτή η ταυτόχρονη έκθεση είναι αυτή που καθιστά την κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο εκτυπωτή τόσο αποτελεσματική στο «παγώμα» της κίνησης χωρίς να εισάγει γεωμετρική παραμόρφωση. Αντίθετα, ένας αισθητήρας με κυλιόμενο εκτυπωτή (rolling shutter) σαρώνει την εικόνα γραμμή προς γραμμή από πάνω προς τα κάτω, οπότε διαφορετικά τμήματα του πλαισίου εκτίθενται σε ελαφρώς διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Όταν ένα αντικείμενο κινείται κατά τη διάρκεια αυτής της σάρωσης γραμμή προς γραμμή, η προκύπτουσα εικόνα καταγράφει το αντικείμενο σε διαφορετικές θέσεις σε διαφορετικές γραμμές. Η έξοδος ενός αισθητήρα με κυλιόμενο εκτυπωτή μπορεί να παρουσιάζει στρέβλωση (skewing), κύμανση (wobble) ή το γνωστό φαινόμενο «jello». Μια κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο εκτυπωτή αποφεύγει εντελώς αυτά τα φαινόμενα, επειδή ολόκληρη η επιφάνεια του αισθητήρα δειγματοληπτείται σε μία μόνο συγχρονισμένη στιγμή, ανεξάρτητα από την ταχύτητα με την οποία κινείται το αντικείμενο.

Θόλωση κίνησης έναντι παραμόρφωσης κυλιόμενου εκτυπωτή

Η μπλούρινγκ κίνησης και η παραμόρφωση λόγω rolling shutter είναι δύο διαφορετικά προβλήματα που οι μηχανικοί συχνά συγχέουν. Η μπλούρινγκ κίνησης προκύπτει όταν η διάρκεια έκθεσης είναι αρκετά μεγάλη ώστε ένα αντικείμενο να μετακινηθεί εμφανώς στον αισθητήρα κατά τη διάρκεια αυτού του χρονικού παραθύρου. Μια κάμερα μηχανικής όρασης με global shutter μπορεί να παρουσιάζει ακόμη και μπλούρινγκ κίνησης, εάν ο χρόνος έκθεσης ρυθμιστεί υπερβολικά μεγάλος. Ωστόσο, με τη χρήση σύντομου χρόνου έκθεσης, η κάμερα μηχανικής όρασης με global shutter καταγράφει μια αιχμηρή και μη παραμορφωμένη λήψη, επειδή όλα τα pixel «κλειδώνουν» ταυτόχρονα. Οι κάμερες με rolling shutter, ακόμη και με πολύ σύντομους χρόνους έκθεσης, παραμένουν ευάλωτες σε γεωμετρική παραμόρφωση κάθε φορά που κινούνται αντικείμενα ή η ίδια η κάμερα μεταξύ των σάρωσης γραμμών. Αυτό καθιστά την κάμερα μηχανικής όρασης με global shutter το πιο αξιόπιστο εργαλείο όταν η κίνηση είναι αναπόφευκτη.

Βιομηχανικές εφαρμογές όπου διακρίνεται η τεχνολογία global shutter

Έλεγχος γραμμής παραγωγής υψηλής ταχύτητας

Σε μια γρήγορα κινούμενη γραμμή παραγωγής, τα εξαρτήματα, οι ετικέτες και οι επιφανειακά χαρακτηριστικά περνούν από το σταθμό εικόνας σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Μια κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο shutters (global shutter) είναι ιδανική γι’ αυτά τα περιβάλλοντα, καθώς εξαλείφει την παραμόρφωση που διαφορετικά θα παρεξήγαγε τη γεωμετρία των εξεταζόμενων εξαρτημάτων. Είτε η εργασία αφορά την ανάγνωση barcode, την επιστημονική μέτρηση διαστάσεων ή την ανίχνευση επιφανειακών ελαττωμάτων, η κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο shutter παρέχει συνεπή ακρίβεια από καρέ σε καρέ, η οποία απλώς δεν μπορεί να επιτευχθεί από κάμερες με rolling shutter υπό τις ίδιες συνθήκες.

Η αξιοπιστία μιας κάμερας μηχανικής όρασης με παγκόσμιο εκτός (global shutter) σε εφαρμογές υψηλής ταχύτητας μεταφράζεται απευθείας σε χαμηλότερα ποσοστά λανθασμένων απορρίψεων και πιο αξιόπιστες αποφάσεις «πέρασε/απέτυχε». Όταν το σύστημα επιθεώρησης ενσωματωθεί με μονάδα ρομποτικής επιλογής και τοποθέτησης (pick-and-place), τα ακριβή δεδομένα θέσης που παρέχει μια κάμερα μηχανικής όρασης με παγκόσμιο εκτός διασφαλίζουν ότι το ρομπότ αντιδρά σωστά. Κάθε χωρική παραμόρφωση που προκαλείται από ένα εκτός κύλισης (rolling shutter) θα διαδίδει σφάλματα σε όλη την αυτοματοποιημένη ροή εργασιών.

Ρομποτική, Αυτόνομα Οχήματα Μεταφοράς (AGVs) και Κινούμενες Πλατφόρμες Καμερών

Οι εφαρμογές όπου η ίδια η κάμερα βρίσκεται σε κίνηση παρουσιάζουν επιπλέον πρόκληση. Μια κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) που είναι τοποθετημένη σε ρομποτικό βραχίονα ή σε αυτόνομο καθοδηγούμενο όχημα (AGV) καταγράφει καθαρές εικόνες ακόμα και κατά τη διάρκεια επιτάχυνσης, επιβράδυνσης ή ταλάντωσης της πλατφόρμας. Οι αισθητήρες με κυλιόμενο ρολό (rolling shutter) είναι ιδιαίτερα ευάλωτοι σε αυτά τα σενάρια, καθώς η κίνηση του σώματος της κάμερας εισάγει την ίδια διαφορά χρονισμού γραμμής που προκαλείται και από την κίνηση του αντικειμένου. Για τον λόγο αυτό, οι μηχανικοί που ενσωματώνουν συστήματα όρασης σε κινητές πλατφόρμες προτιμούν συνεχώς την κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό. Η κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό εξαλείφει ένα σημαντικό παράγοντα από τη διαδικασία βαθμονόμησης του συστήματος και απλοποιεί το συνολικό σχεδιασμό του σωλήνα όρασης.

Πότε Μπορεί Να Εξεταστεί Αντί Το Κυλιόμενο Ρολό

Στατικές Σκηνές και Εγκαταστάσεις Ευαίσθητες Ως Προς Το Κόστος

Θα ήταν ανακριβές να υποστηριχθεί ότι μια κάμερα μηχανικής όρασης με καθολικό εκκινητή (global shutter) είναι η κατάλληλη επιλογή για κάθε εφαρμογή. Σε σενάρια όπου τόσο η κάμερα όσο και το αντικείμενο είναι πλήρως ακίνητα, μια κάμερα με κυλιόμενο εκκινητή (rolling shutter) μπορεί να παράγει εξίσου αιχμηρές και ακριβείς εικόνες με χαμηλότερο κόστος. Οι σταθμοί σάρωσης εγγράφων, οι σταθερής εστίασης έλεγχοι ποιότητας σε ακίνητα προϊόντα και ορισμένες ρυθμίσεις μικροσκοπίου συχνά δεν περιλαμβάνουν καμία σημαντική κίνηση κατά το χρονικό παράθυρο έκθεσης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η κάμερα με κυλιόμενο εκκινητή λειτουργεί ικανοποιητικά και το επιπλέον κόστος μιας κάμερας μηχανικής όρασης με καθολικό εκκινητή ενδέχεται να μην είναι δικαιολογημένο.

Το κόστος αποτελεί πραγματικό παράγοντα σε μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις, όπου απαιτούνται δεκάδες ή εκατοντάδες κάμερες. Οι κάμερες μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) τείνουν να έχουν υψηλότερη τιμή λόγω της πιο περίπλοκης αρχιτεκτονικής του αισθητήρα τους. Οι ομάδες προμηθειών που λειτουργούν υπό σφιχτούς προϋπολογισμούς αξιολογούν ενίοτε εάν το συγκεκριμένο προφίλ κίνησης της εφαρμογής τους απαιτεί πραγματικά κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό πριν από την τελική επιλογή.

Συμβιβασμοί ευαισθησίας και δυναμικού εύρους

Οι αισθητήρες με κυλιόμενο κλείσιμο, και ιδιαίτερα οι σχεδιασμένοι με φωτοευαισθησία από την πίσω πλευρά, μπορούν να προσφέρουν ανώτερη φωτοευαισθησία σε ορισμένες διαμορφώσεις. Μία κάμερα μηχανικής όρασης με καθολικό κλείσιμο που χρησιμοποιεί αρχιτεκτονική με φωτοευαισθησία από την εμπρόσθια πλευρά ενδέχεται να απαιτεί υψηλότερα επίπεδα φωτισμού ή μεγαλύτερους χρόνους έκθεσης για να επιτύχει ισοδύναμη ποιότητα σήματος σε συνθήκες χαμηλού φωτός. Ωστόσο, πολλά σύγχρονα μοντέλα καμερών μηχανικής όρασης με καθολικό κλείσιμο έχουν μειώσει σημαντικά αυτό το κενό. Οι μηχανικοί θα πρέπει να αξιολογούν το σύνολο του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της διάταξης φωτισμού και των περιβαλλοντικών συνθηκών, αντί να υποθέτουν ότι η ευαισθησία μόνη της καθορίζει την καλύτερη επιλογή.

Συχνές Ερωτήσεις

Μια κάμερα μηχανικής όρασης με καθολικό κλείσιμο εμποδίζει πάντα την θόλωση κίνησης;

Μια κάμερα μηχανικής όρασης με καθολικό κλείσιμο εμποδίζει ανεπιφύλακτα την παραμόρφωση λόγω κυλιόμενου κλεισίματος, αλλά η θόλωση κίνησης μπορεί να εμφανιστεί ακόμη και σε αυτήν, εάν ο χρόνος έκθεσης είναι υπερβολικά μεγάλος σε σχέση με την ταχύτητα του αντικειμένου. Η χρήση ενός επαρκώς σύντομου χρόνου έκθεσης με μια κάμερα μηχανικής όρασης με καθολικό κλείσιμο εξαλείφει ταυτόχρονα και την παραμόρφωση και τη θόλωση.

Είναι μια κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) κατάλληλη για χρωματική απεικόνιση;

Ναι, οι κάμερες μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) διατίθενται τόσο σε μονόχρωμες όσο και σε χρωματικές εκδόσεις. Οι χρωματικές εκδόσεις καμερών μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) χρησιμοποιούν αισθητήρες με πρότυπο Bayer και παρέχουν ακριβή χρωματική αναπαραγωγή σε κινούμενα αντικείμενα, χωρίς τη χρωματική παραμόρφωση (color fringing) που μπορεί να εμφανιστεί σε αισθητήρες χρωματικής απεικόνισης με κυλιόμενο ρολό (rolling shutter).

Πώς επιλέγω την κατάλληλη ανάλυση για μια κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter);

Η επιλογή της ανάλυσης για μια κάμερα μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) εξαρτάται από το πεδίο οράσεως (field of view), από το μικρότερο χαρακτηριστικό που πρέπει να αναγνωριστεί και από τον απαιτούμενο ρυθμό καρέ (frame rate). Οι κάμερες μηχανικής όρασης με γενικό ρολό (global shutter) υψηλότερης ανάλυσης παρέχουν λεπτομερέστερη απεικόνιση, αλλά απαιτούν μεγαλύτερο εύρος ζώνης (bandwidth) και υπολογιστική ισχύ· επομένως, η προσαρμογή της ανάλυσης στις πραγματικές απαιτήσεις επιθεώρησης αποτελεί την πιο πρακτική προσέγγιση.