Устраняет ли камера машинного зрения с глобальным затвором размытие движения лучше, чем камеры с роллинг-затвором?

При съёмке быстро движущихся объектов в промышленных условиях качество изображения в значительной степени зависит от того, как датчик регистрирует свет. А камера машинного зрения с глобальным затвором одновременно экспонирует все пиксели, что составляет основу её преимущества по сравнению с альтернативами с последовательным затвором. Это фундаментальное различие определяет, будет ли ваша система захвата изображений обеспечивать чёткие и надёжные данные или будет страдать от искажений, которые негативно скажутся на последующей обработке.

Краткий ответ — да: глобальный затвор камера для машинного зрения устраняет размытие движения более эффективно, чем камеры с бегущим затвором в подавляющем большинстве промышленных задач контроля качества и автоматизации. Однако понимание того, почему это так, и в каких случаях это преимущество наиболее существенно, помогает инженерам и закупочным отделам принимать более обоснованные решения при покупке оборудования. В данной статье подробно рассматриваются принцип работы, практические преимущества и область применения промышленных камер машинного зрения с глобальным затвором по сравнению с аналогичными камерами с бегущим затвором.

Влияние типа затвора на чёткость изображения

Основное различие во времени экспонирования пикселей

Камера машинного зрения с глобальным затвором захватывает все пиксели строго в один и тот же момент времени. Датчик считывает весь кадр одновременно, то есть ни одна часть изображения не фиксируется раньше или позже другой. Именно такая одновременная экспозиция делает камеру машинного зрения с глобальным затвором чрезвычайно эффективной для «замораживания» движения без внесения геометрических искажений. В отличие от неё, датчик с последовательным («роллинг») затвором сканирует изображение постранично — сверху вниз, поэтому разные части кадра экспонируются в слегка разные моменты времени.

Если объект перемещается во время такого постраничного сканирования, результирующее изображение фиксирует его в различных положениях в разных строках. Выходной сигнал датчика с последовательным затвором может демонстрировать перекос, дрожание или хорошо известный эффект «желе». Камера машинного зрения с глобальным затвором полностью исключает такие артефакты, поскольку вся площадь датчика считывается в едином синхронизированном моменте времени, независимо от скорости движения объекта.

Размытие движения против искажений, вызванных последовательным затвором

Размытие в движении и искажение из-за скользящего затвора — это две разные проблемы, которые инженеры часто путают. Размытие в движении возникает, когда длительность экспозиции достаточна для того, чтобы объект заметно сместился по матрице в течение этого интервала. Камера машинного зрения с глобальным затвором всё ещё может демонстрировать размытие в движении, если время экспозиции установлено слишком большим. Однако при использовании короткой экспозиции камера машинного зрения с глобальным затвором фиксирует чёткий, неискажённый кадр, поскольку все пиксели фиксируются одновременно. Камеры со скользящим затвором, даже при очень коротких выдержках, остаются подверженными геометрическим искажениям всякий раз, когда объекты или сама камера перемещаются между последовательными строками считывания. Именно поэтому камера машинного зрения с глобальным затвором является более надёжным инструментом в условиях неизбежного движения.

Промышленные применения, в которых глобальный затвор показывает превосходные результаты

Инспекция на высокоскоростной производственной линии

На быстро движущейся производственной линии компоненты, этикетки и поверхностные элементы проходят мимо станции визуального контроля за миллисекунды. Камера машинного зрения с глобальным затвором идеально подходит для таких условий, поскольку она устраняет искажения, которые в противном случае привели бы к неверному отображению геометрии контролируемых деталей. Независимо от того, выполняется ли задача считывания штрих-кодов, измерения габаритов или обнаружения поверхностных дефектов, камера машинного зрения с глобальным затвором обеспечивает стабильную точность кадр за кадром, которую камеры с прогрессивным затвором просто не могут обеспечить в тех же условиях.

Надежность камеры машинного зрения с глобальным затвором в высокоскоростных приложениях напрямую обеспечивает более низкий уровень ложных отклонений и повышает достоверность решений «прошел/не прошел». При интеграции системы контроля с роботизированным модулем захвата и перемещения точные данные о положении, предоставляемые камерой машинного зрения с глобальным затвором, гарантируют корректную реакцию робота. Любые пространственные искажения, вызванные роллинг-затвором, привели бы к распространению ошибок по всей автоматизированной рабочей цепочке.

Робототехника, АСТ и подвижные платформы для камер

Применения, при которых сама камера находится в движении, создают дополнительную сложность. Камера машинного зрения с глобальным затвором, установленная на роботизированной руке или автономном транспортном средстве, обеспечивает получение чётких изображений даже при ускорении, замедлении или вибрации платформы. Датчики с бегущим затвором особенно уязвимы в таких сценариях, поскольку движение корпуса камеры вызывает ту же разницу во времени считывания строк, что и движение объекта съёмки. Именно поэтому инженеры, интегрирующие системы машинного зрения в мобильные платформы, неизменно отдают предпочтение камерам машинного зрения с глобальным затвором. Камера машинного зрения с глобальным затвором исключает значительную переменную из процесса калибровки системы и упрощает общую архитектуру конвейера обработки изображений.

Случаи, когда может быть рассмотрен вариант с бегущим затвором

Неподвижные сцены и развертывания, чувствительные к стоимости

Было бы неточно утверждать, что камера машинного зрения с глобальным затвором является оптимальным выбором для каждой задачи. В тех случаях, когда и камера, и объект съёмки полностью неподвижны, камера с бегущим затвором способна обеспечить изображения такой же чёткости и точности, но по более низкой цене. Станции сканирования документов, контроль качества с фиксированным фокусом на неподвижных изделиях, а также некоторые микроскопические установки зачастую не предполагают какого-либо значимого движения в течение времени экспозиции. В этих случаях камера с бегущим затвором работает удовлетворительно, и дополнительные расходы на приобретение камеры машинного зрения с глобальным затвором могут быть неоправданными.

Стоимость является существенным фактором при масштабных развертываниях, где требуется десятки или сотни камер. Камеры машинного зрения с глобальным затвором, как правило, стоят дороже из-за более сложной архитектуры их матриц. Команды по закупкам, работающие в условиях жестких бюджетных ограничений, иногда оценивают, действительно ли специфический профиль движения в их приложении требует использования камеры машинного зрения с глобальным затвором, прежде чем окончательно выбрать этот вариант.

Компромисс между чувствительностью и динамическим диапазоном

Датчики с роллетным затвором, особенно конструкции с обратной подсветкой, могут обеспечивать повышенную светочувствительность в некоторых конфигурациях. Для глобального затвора в промышленных камерах машинного зрения с архитектурой прямой подсветки может потребоваться более высокий уровень освещения или более длительное время экспозиции для достижения эквивалентного качества сигнала в условиях слабого освещения. Однако во многих современных конструкциях промышленных камер машинного зрения с глобальным затвором этот разрыв значительно сократился. Инженерам следует оценивать полный контекст системы, включая настройку освещения и условия окружающей среды, а не предполагать, что чувствительность сама по себе определяет лучший выбор.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли глобальный затвор в промышленной камере машинного зрения предотвращает размытие движения?

Глобальный затвор в промышленной камере машинного зрения безусловно предотвращает искажения, вызванные роллетным затвором, однако размытие движения всё же может возникнуть, если время экспозиции слишком велико по сравнению со скоростью объекта. Использование достаточно короткого времени экспозиции с глобальным затвором в промышленной камере машинного зрения одновременно устраняет как искажения, так и размытие.

Подходит ли камера машинного зрения с глобальным затвором для цветной съемки?

Да, камеры машинного зрения с глобальным затвором выпускаются как в монохромном, так и в цветном исполнении. Цветные модели камер машинного зрения с глобальным затвором используют сенсоры с фильтрами Байера и обеспечивают точную цветопередачу движущихся объектов без цветных артефактов («цветных ореолов»), которые могут возникать при использовании цветных сенсоров с последовательным (роллинговым) затвором.

Как выбрать подходящее разрешение камеры машинного зрения с глобальным затвором?

Выбор разрешения камеры машинного зрения с глобальным затвором зависит от поля обзора, минимального размера детали, которую необходимо различить, и требуемой частоты кадров. Модели камер машинного зрения с глобальным затвором более высокого разрешения обеспечивают более детализированное изображение, однако требуют большей пропускной способности и вычислительной мощности; поэтому наиболее практичный подход — подбирать разрешение в соответствии с реальными требованиями к контролю.