Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Выбор видеокамеры для системы обработки изображении. Часть 2

Выбор видеокамеры для системы обработки изображении. Часть 2

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Выбор видеокамеры для системы обработки изображенииЧасть 2

После того, как выбор в пользу типа видеокамеры для системы обработки изображений сделан (сетевая камера или камера машинного зрения)1, следует обратиться к выбору сенсора, типа затвора и интерфеиса
Ларс Бринкманн
Руководитель группы по продажам в
Южной и Восточной Европе компании Basler AG

Выбирать тип сенсора и исполнение затвора необходимо на одном и том же этапе. Далее определяют требуемую частоту кадров, то есть количество изображений , которое требуется получать с помощью камеры каждую секунду для успешного решения поставленной задачи. На первый взгляд эта тема может показаться запутанной , но как только будут сформулированы все требования к системе обработки изображений , решение окажется очевидным.

Типы сенсоров

Фундаментальное различие между технологиями сенсоров КМОП и ПЗС заключается в их конструкции.

КМОП
В сенсорах на базе технологии КМОП (комплементарная структура металл–оксид–полупроводник) преобразование лучей света (в частности, фотонов) в электронные сигналы (электроны) осуществляется с помощью электронных схем, интегрированных непосредственно в поверхность сенсора. Эти сенсоры отличаются высоким быстродей ствием, поскольку быстрее считывают данные изображения, а также предоставляют пользователю гибкие возможности работы с массивом изображений .

КМОП-сенсоры широко распространены в потребительском сегменте рынка, например являются стандартной технологией для зеркальных фотоаппаратов.

Преимущества КМОП-сенсоров

  • Выгодное соотношение цены и технических характеристик.
  • Высокое быстродей ствие (скорость съемки).
  • Высокое разрешение (количество пикселей).
  • Низкое энергопотребление.
  • Высокая квантовая эффективность.

Эти характеристики помогли КМОП-сенсорам прочно занять ниши, в которых ранее доминировали ПЗС-сенсоры

На протяжении многих лет технология КМОП была настолько усовершенствована, что сегодня сенсоры на ее основе подходят для решения практически любых задач обработки изображений . Высокая скорость съемки и отсутствие потерь качества изображения представляют собой особенно сильный коммерческий аргумент в пользу современного поколения КМОП-сенсоров.

ПЗС
В отличие от КМОП в сенсоре на базе технологии ПЗС (прибор с зарядовой связью) вся поверхность пикселей участвует в преобразовании фотонов, так как на поверхности пикселей ПЗС-матрицы отсутствуют какие-либо электронные схемы.

Благодаря этому на поверхности сенсора можно разместить больше пикселей, что означает возможность захвата большего количества фотонов. Таким образом, ПЗС-сенсоры отличаются повышенной светочувствительностью, что является их основным преимуществом для применения в условиях низкой освещенности, например в астрономии. ПЗС-сенсоры обеспечивают превосходное качество изображения в областях, где не требуется высокая скорость съемки. Хотя они уже практически достигли максимума своего быстродей ствия, что обусловлено их архитектурой и способом передачи и обработки данных изображения.

Всвете многочисленных технологических усовершенствовании в последние годы на рынке сенсоров отмечается тенденция к выбору технологии КМОП

Затвор

Тип затвора может показаться некритичным условием при выборе сенсора, однако не следует обманываться: край не важно, чтобы затвор соответствовал области применения камеры.

Выделяют два основных типа затворов – глобальные и скользящие. Затвор препятствует попаданию света на сенсор камеры и открывается только на время экспозиции. На основе выбранного типа затвора или продолжительности экспозиции обеспечивается правильное "дозирование" света и определяется, как долго затвор остается открытым. Разница между двумя типами затвора заключается в том, как они обеспечивают экспозицию.

Глобальный затвор
Полностью открывается, чтобы свет попал на всю поверхность сенсора. В зависимости от кадровои частоты (обычно указывается в кадрах в секунду) съемка движущегося объекта осуществляется в виде быстрой смены кадров. Глобальныи затвор станет оптимальным выбором в тех областях, где требуется снимать быстродвижущиеся объекты: управление дорожным движением и транспортировка, логистика, контроль качества печатных материалов.

Скользящий затвор
Обеспечивает построчную экспозицию матрицы. Другими словами, каждое изображение разбито на горизонтальные строки. Каждая строка, в свою очередь, состоит из некоторого количества пикселей . Тип пикселя определяется разрешением. Проще говоря, высокое разрешение – больше пикселей , низкое разрешение – меньше пикселей . Построчная экспозиция осуществляется в несколько этапов.


С ПЗС-сенсорами всегда используется глобальныи затвор. Для КМОП-сенсоров предлагаются затворы обоих типов. У технологий ПЗС и КМОП есть преимущества и недостатки. От них и следует отталкиваться при принятии решения. Во многих случаях проблемы, связанные с "эффектом плавающего затвора", можно обой ти с помощью правильной настрой ки продолжительности экспозиции и при использовании внешней вспышки. Другими словами, необязательно отказываться от скользящего затвора только потому, что объекты съемки движутся.

Кадровая частота

Кадровая частота выражается в кадрах в секунду. Для линейных камер используется термин "частота строчного сканирования". Он описывает количество кадров, которые сенсор может отснять и передать за одну секунду.

Чем выше кадровая частота, тем выше быстродей ствие сенсора, а значит, количество отснятых в секунду кадров и объемы данных будут больше. В случае матричных камер объемы передаваемых данных могут сильно различаться в зависимости от интерфейса и используемой скорости съемки – более низкой (10 кадр/с) или более высокой (340 кадр/с). Точное значение кадровой частоты, на которой возможно или необходимо вести съемку, зависит от того, что именно предполагается снимать камерой в составе системы обработки изображении . В случае быстродвижущихся объектов, например в процессе контроля качества печатных изображений в типографии, где газеты перемещаются под камерой с очень высокой скоростью, скорость съемки камеры должна составлять буквально миллисекунды. Это значение далеко от требуемого для решения задач контроля в медицинской и промышленной микроскопии, где обычно используется только низкая частота кадров.

Разрешение

На практике разрешение соответствует минимальному расстоянию между двумя точками или линиями, которые можно определить как четко различимые в пределах изображения. Что имеется в виду, если в характеристиках камеры указано разрешение 2048x1088? Это количество пикселей в строке: 2048 пкс по горизонтали и 1088 пкс по вертикали. Перемножив эти числа, получим разрешение 2 228 224 пкс, или 2,2 Мпкс.

Чтобы определить, какое разрешение требуется в конкретной области применения системы обработки изображений, используется простая формула:

Пример 1

Требуется получить точный снимок цвета глаз человека ростом 2 м, стоящего в конкретном месте:

Чтобы участок глаза размером 1 мм был явно различим на изображении, необходимо разрешение 4 Мпкс.

Пример 2

Стоит задача распознавания номерных знаков на транспортных средствах. Чтобы распознать номерной знак, требуется не менее 200 пкс.

Для четкого распознавания номерного знака необходимо разрешение 2 Мпкс.

Сенсор и размеры пикселя

Чем больше поверхность самого сенсора и отдельных пикселей , тем больше площадь, на которую попадает свет во время экспозиции. Свет преобразуется в сигналы, которые используются сенсором для создания и обработки данных изображения. Чем больше эта площадь, тем выше соотношение сигнал– шум, что особенно касается пикселей большого размера – от 3,5 мкм. Более высокое соотношение сигнал–шум означает более высокое качество изображения. Значение 42 дБ считается хорошим результатом.

Большой сенсор вмещает большее количество пикселей , а значит, обеспечивает более высокое разрешение. Отдельные пиксели при этом будут достаточно большого размера, чтобы обеспечить высокое соотношение сигнал– шум, в отличие от сенсоров меньшего размера и, следовательно, меньшей площади, для которых необходимы пиксели меньшего размера.

И все же даже большой сенсор с большим количеством пикселей большого размера сможет обеспечить высокое качество изображения только при условии использования правильной оптики. Кроме того, сенсоры большого размера всегда будут более дорогостоящими: чем больше площадь, тем больше кремния требуется для их изготовления.

Интерфейс

Это связующее звено между камерой и ПК. По интерфейсу осуществляется передача изображении с сенсора камеры на компоненты, которые отвечают за обработку изображений, то есть аппаратное и программное обеспечение.

Для камер машинного зрения в зависимости от требований к длине кабеля, пропускной способности, совместимости на базе технологии Plug-and-Play, количеству камер в системе, возможности работы в режиме реального времени и бюджету можно оптимально выбрать одну из трех технологии – Camera Link, GigE или USB 3.0.


Camera Link – это высокопроизводительный интерфейс, которыи подходит для промышленных камер всех классов и гарантирует простую и безопасную передачу данных. Отличается универсальностью: используется как в ультракомпактных камерах, так и в камерах с мегапиксельным разрешением и с частотой до нескольких сотен кадров в секунду.

Однако стоимость системы с интерфейсом Camera Link всегда будет выше, поскольку ключевым требованием является наличие специальной платы захвата изображения. Стоимость этого компонента обычно намного превышает стоимость самой камеры. Тем не менее, Camera Link незаменим, если предполагается передача очень больших объемов данных.

Интерфейсы GigE и USB 3.0, напротив, полностью совместимы с имеющимися технологиями ПК, что не только снижает стоимость решения, но и облегчает его конфигурацию благодаря преимуществам технологии Plug-and-Play.

Интерфейс GigE соответствует стандарту GigE Vision, а USB 3.0 – стандарту USB3 Vision (промышленные стандарты сертификации). Благодаря этому обеспечивается совместимость всех компонентов, если камеры используются в сочетании со стандартными аксессуарами.

___________________________________________
1 Журнал “Системы безопасности” № 2/2015. www.secuteck.ru/imag/ss-2-2015/86

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2015
Посещений: 5462


  Автор
Ларс Бринкманн

Ларс Бринкманн

Региональный менеджер по продажам компании Basler AG

Всего статей:  6

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций