Czy kamera przemysłowa do analizy obrazu z globalnym migawką eliminuje rozmycie ruchu skuteczniej niż typy z migawką przewijaną?

Podczas przechwytywania szybko poruszających się obiektów w środowiskach przemysłowych jakość obrazu zależy w dużej mierze od sposobu, w jaki czujka rejestruje światło. A aparat przemysłowy z migawką globalną ujawnia wszystkie piksele jednocześnie, co stanowi podstawę jego przewagi nad alternatywnymi typami z migawką przewijaną. Ta podstawowa różnica decyduje o tym, czy system obrazowania dostarcza ostrych i niezawodnych danych, czy też cierpi na skutek zniekształceń kompromitujących późniejszą obróbkę.

Krótka odpowiedź brzmi: tak, aparat z migawką globalną aparat widzenia maszynowego skuteczniej eliminuje rozmycie ruchu niż typy migotające w większości scenariuszy przemysłowej inspekcji i automatyzacji. Jednak zrozumienie, dlaczego tak jest oraz kiedy ta przewaga ma największe znaczenie, pozwala inżynierom i zespołom zakupowym podejmować lepsze decyzje zakupowe. W niniejszym artykule omówiono zasadę działania, praktyczne korzyści oraz przydatność do zastosowań aparatu przemysłowego z migawką globalną w bezpośrednim porównaniu do jego odpowiednika z migawką przewijaną.

Wpływ mechanizmów migawki na ostrość obrazu

Podstawowa różnica w czasie naświatlania pikseli

Kamera do wizji maszynowej z globalnym migawką przechwytuje wszystkie piksele dokładnie w tym samym momencie. Czujnik odczytuje całą klatkę jednocześnie, co oznacza, że żadna część obrazu nie jest przechwytywana wcześniej ani później niż inne. To jednoczesne naświetlenie sprawia, że kamera do wizji maszynowej z globalnym migawką jest tak skuteczna w zatrzymywaniu ruchu bez wprowadzania zniekształceń geometrycznych. W przeciwieństwie do tego czujnik z migawką przewijaną (rolling shutter) skanuje obraz wiersz po wierszu od góry do dołu, więc różne części klatki są naświetlane w nieco innych momentach czasu.

Gdy obiekt porusza się podczas tego skanowania wiersz po wierszu, uzyskany obraz rejestruje go w różnych pozycjach w różnych wierszach. Dane wyjściowe z czujnika z migawką przewijaną mogą wykazywać skręcenie (skewing), drganie (wobble) lub znany efekt „żelatynowego” obrazu („jello effect”). Kamera do wizji maszynowej z globalnym migawką unika całkowicie tych artefaktów, ponieważ cała powierzchnia czujnika jest próbkowana w jednym zsynchronizowanym momencie, niezależnie od szybkości ruchu obiektu.

Rozmycie ruchu vs. zniekształcenia spowodowane migawką przewijaną

Rozmycie ruchu i zniekształcenie spowodowane migotaniem przewijania to dwa różne problemy, które inżynierowie często mylą ze sobą. Rozmycie ruchu występuje, gdy czas ekspozycji jest wystarczająco długi, aby obiekt przesunął się w sposób zauważalny na czujniku w tym okresie. Kamera przemysłowa z migotaniem globalnym może nadal wykazywać rozmycie ruchu, jeśli czas ekspozycji został ustawiony zbyt długo. Jednak dzięki zastosowaniu krótkiego czasu ekspozycji kamera przemysłowa z migotaniem globalnym przechwytuje ostry, niezniekształcony migotek, ponieważ wszystkie piksele są zapisywane jednocześnie. Kamery z migotaniem przewijania pozostają podatne na zniekształcenia geometryczne nawet przy bardzo krótkich czasach ekspozycji, o ile obiekty lub sama kamera poruszają się między skanowaniem kolejnych wierszy. Dlatego kamera przemysłowa z migotaniem globalnym stanowi bardziej niezawodne narzędzie w sytuacjach, gdy ruch jest nieunikniony.

Zastosowania przemysłowe, w których migotanie globalne odnosi największe korzyści

Inspekcja linii produkcyjnej o dużej prędkości

Na szybko poruszającej się linii produkcyjnej elementy, etykiety oraz cechy powierzchniowe przemieszczają się przez stację obrazowania w ciągu milisekund. Kamera maszynowego widzenia z globalnym migotaniem jest idealnie dopasowana do takich środowisk, ponieważ eliminuje zniekształcenia, które w przeciwnym razie fałszywie przedstawiałyby geometrię inspekcyjnych części. Niezależnie od tego, czy zadanie polega na odczytywaniu kodów kreskowych, pomiarach wymiarowych czy wykrywaniu wad powierzchniowych, kamera maszynowego widzenia z globalnym migotaniem zapewnia spójną dokładność od kadru do kadru, której kamery z migotaniem przewijającym po prostu nie są w stanie osiągnąć w tych samych warunkach.

Niezawodność kamery maszynowego widzenia z globalnym migotaniem w zastosowaniach wysokoprędkościowych przekłada się bezpośrednio na niższy poziom fałszywych odrzuceń oraz bardziej wiarygodne decyzje „zaakceptowane–odrzucone”. Gdy system inspekcji jest zintegrowany z jednostką robota do pobierania i umieszczania, precyzyjne dane pozycyjne dostarczane przez kamerę maszynowego widzenia z globalnym migotaniem zapewniają prawidłową reakcję robota. Każde zniekształcenie przestrzenne wprowadzone przez migotanie typu rolling shutter rozprzestrzeniłoby błędy w całym zautomatyzowanym przepływie pracy.

Robotyka, bezpieczne pojazdy sterowane automatycznie (AGV) oraz platformy ruchome z kamerami

Zastosowania, w których sama kamera jest w ruchu, stwarzają dodatkowe wyzwanie. Kamera przemysłowa z migawką globalną zamontowana na ramieniu robota lub pojeździe samozarządzanym przechwytuje czyste obrazy nawet w trakcie przyspieszania, hamowania lub drgań platformy. Czujniki z migawką przewijaną są szczególnie narażone w takich sytuacjach, ponieważ ruch obudowy kamery wprowadza tę samą rozbieżność czasową wierszy, co ruch obiektu. Inżynierowie integrujący systemy wizyjne z mobilnymi platformami konsekwentnie preferują kamery przemysłowe z migawką globalną właśnie z tego powodu. Kamera przemysłowa z migawką globalną eliminuje istotną zmienną z procesu kalibracji systemu i upraszcza ogólną konstrukcję potoku wizyjnego.

Gdy można rozważyć użycie migawki przewijanej

Statyczne sceny oraz wdrożenia wrażliwe na koszty

Nie byłoby poprawne twierdzić, że aparat do maszynowego widzenia z globalnym migotaniem jest odpowiednim wyborem dla każdej aplikacji. W przypadkach, gdy zarówno aparat, jak i obiekt są całkowicie nieruchome, aparat z przesuwającym się migotaniem może generować obrazy o takiej samej ostrości i dokładności, ale po niższej cenie. Stacje skanowania dokumentów, stałe kontrole jakości produktów o stałej odległości ostrości oraz niektóre ustawienia mikroskopowe często nie wiążą się z żadnym istotnym ruchem w oknie ekspozycji. W tych przypadkach aparat z przesuwającym się migotaniem działa wystarczająco dobrze, a dodatkowe koszty związane z zakupem aparatu do maszynowego widzenia z globalnym migotaniem mogą być nieuzasadnione.

Koszt jest rzeczywistym czynnikiem w przypadku wdrożeń na dużą skalę, gdzie wymagane są dziesiątki lub setki kamer. Kamery maszynowe z globalnym migotaniem zwykle mają wyższą cenę ze względu na bardziej złożoną architekturę sensora. Zespoły zakupowe działające w ramach ścisłych ograniczeń budżetowych czasami oceniają, czy konkretny profil ruchu w ich aplikacji rzeczywiście wymaga użycia kamery maszynowej z globalnym migotaniem, zanim podjęte zostanie takie decyzje.

Kompromisy związane z czułością i zakresem dynamiki

Czujniki z przesuwną klapą, szczególnie w konfiguracjach z oświetleniem od strony tylniej (BSI), mogą zapewniać wyższą czułość świateł w niektórych układach. Globalny migawka w kamerze do przemysłowego widzenia maszynowego z architekturą oświetlenia od strony czołowej może wymagać wyższego natężenia oświetlenia lub dłuższych czasów naświatania, aby osiągnąć porównywalną jakość sygnału w warunkach słabego oświetlenia. Jednak wiele nowoczesnych konstrukcji kamer do przemysłowego widzenia maszynowego z globalną migawką znacznie zmniejszyło tę różnicę. Inżynierowie powinni ocenić pełny kontekst systemu, w tym układ oświetlenia i warunki otoczenia, zamiast zakładać, że czułość sama w sobie decyduje o lepszym rozwiązaniu.

Najczęściej zadawane pytania

Czy globalna migawka w kamerze do przemysłowego widzenia maszynowego zawsze zapobiega rozmyciu ruchu?

Globalna migawka w kamerze do przemysłowego widzenia maszynowego bezwarunkowo zapobiega zniekształceniom typu rolling shutter, ale rozmycie ruchu nadal może wystąpić, jeśli czas naświatania jest zbyt długi w stosunku do prędkości obiektu. Zastosowanie odpowiednio krótkiego czasu naświatania w kamerze z globalną migawką eliminuje jednocześnie zarówno zniekształcenia, jak i rozmycie.

Czy globalny migotnik (global shutter) w kamerze do przemysłowego widzenia maszynowego nadaje się do obrazowania kolorowego?

Tak, kamery do przemysłowego widzenia maszynowego z globalnym migotnikiem (global shutter) są dostępne zarówno w wersji czarno-białej, jak i kolorowej. Modele kolorowych kamer do przemysłowego widzenia maszynowego z globalnym migotnikiem wykorzystują czujniki z filtrem Bayera i zapewniają dokładną reprodukcję kolorów na poruszających się obiektach, bez efektu rozmycia kolorów (color fringing), który może występować w przypadku kolorowych czujników z migotnikiem przewijania (rolling shutter).

Jak wybrać odpowiednią rozdzielczość kamery do przemysłowego widzenia maszynowego z globalnym migotnikiem?

Wybór rozdzielczości kamery do przemysłowego widzenia maszynowego z globalnym migotnikiem zależy od pola widzenia, najmniejszego elementu, który należy rozróżnić, oraz wymaganej liczby klatek na sekundę. Modele o wyższej rozdzielczości zapewniają szczegółowsze obrazy, ale wymagają większej przepustowości i mocy obliczeniowej; dlatego najbardziej praktycznym podejściem jest dobranie rozdzielczości zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami inspekcyjnymi.