Выбор камеры: как подобрать камеру для системы обработки изображений?

Если перед вами стоит задача проектирования системы обработки изображений, вы рискуете потеряться в бесконечном выборе моделей, технических характеристик, полезных функций и возможностей применения камер.

Вам нужен кто-то, кто поможет сделать выбор. Кто не даст потеряться в ошеломляющем количестве предложений, укажет путь к принятию правильных решений и подскажет, как подобрать подходящую камеру для вашей системы машинного зрения.

Мы предлагаем руководство, в котором подробно рассматриваются все критерии выбора камеры. Оно поможет шаг за шагом принимать правильные решения, чтобы выбрать самую лучшую камеру, соответствующую всем вашим требованиям.

Начните с объективного самостоятельного анализа. Задайте себе два вопроса:

Ответа на этот вопрос обычно достаточно, чтобы определиться, в каком из двух основных направлений двигаться дальше:

Решение 1. Сетевая или промышленная камера?

Камеры для систем обработки изображений подразделяются на промышленные камеры (камеры машинного зрения) и сетевые камеры (IP-камеры).

Сетевые камеры предназначены для видеосъемки. Они часто используются для решения классических задач видеонаблюдения, а также в сочетании с промышленными камерами. Типичные характеристики сетевых камер:

Типичные характеристики промышленных камер:

Экскурс. Способы получения изображения матричными и линейными камерами

Матричные камеры

Линейные камеры

Сетевые камеры

Решение 2. Монохромная или цветная камера?

Ответить на этот вопрос относительно просто, надо только определиться, какое изображение необходимо для решения поставленной задачи, – оно должно быть цветным для оценки требуемой характеристики, или достаточно черно-белого? Если цвет не является обязательным условием, то рекомендуется остановить свой выбор на монохромной камере, тем более что монохромные камеры отличаются более высокой чувствительностью и позволяют получать более резкие и четкие изображения. Кроме того, во многих областях, например в интеллектуальных транспортных системах, монохромные и цветные камеры часто применяются в комбинации в целях обеспечения соблюдения определенных законодательных требований, предъявляемых в конкретной стране к фотографиям, используемым в качестве доказательств.

Решение 3. Типы сенсоров, исполнение затвора, кадровая частота

На следующем этапе выбираем подходящий сенсор (на базе технологии КМОП или ПЗC) и тип затвора (глобальный или скользящий). Затем необходимо подобрать частоту кадров, то есть количество изображений, которое камера должна снять в секунду для решения поставленной задачи.

Типы сенсоров

Экскурс. ПЗC или КМОП?

Фундаментальное различие между этими двумя технологиями сенсоров заключается в их технической конструкции.

В сенсорах на базе технологии КМОП преобразование лучей света (а именно фотонов) в электронные сигналы (электроны) осуществляется с помощью электронных схем, интегрированных непосредственно в поверхность сенсора. Эти сенсоры отличаются высоким быстродействием, поскольку с них быстрее считываются данные изображения, а кроме того, они предоставляют пользователю гибкие возможности работы с набором изображений. КМОП-сенсоры широко распространены в потребительском сегменте рынка, например, представляют собой стандартную технологию для зеркальных фотоаппаратов.

В ПЗС-сенсорах все пиксели участвуют в преобразовании фотонов, то есть на его поверхности отсутствуют какие-либо электронные схемы. Благодаря этому на поверхности сенсора можно разместить больше пикселей, что, в свою очередь, означает возможность захвата большего количества фотонов. Таким образом, сенсоры этого типа 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 быстродействия, что обусловлено их архитектурой и способом передачи и обработки данных изображения.

На протяжении многих лет технология КМОП была настолько усовершенствована, что сегодня сенсоры на ее основе подходят для решения практически любых задач обработки изображений. Преимущества КМОП-сенсоров:

Эти характеристики помогли КМОП-сенсорам прочно занять ниши, в которых ранее доминировали ПЗС-сенсоры. Особенно сильный коммерческий аргумент в пользу современного поколения КМОП-сенсоров – это высокая скорость съемки при отсутствии потерь качества изображения.

Типы затвора

Одно простое, но решающее условие: тип затвора следует выбирать с учетом задачи, которую решает камера. Затвор препятствует попаданию света на сенсор камеры и открывается только на время экспозиции. Заданная длительность экспозиции определяет правильное «дозирование» света и указывает на то, как долго затвор остается открытым. Разница между глобальным и скользящим затвором заключается в том, как они обеспечивают экспозицию.

Экскурс. Как устроены глобальный затвор и скользящий затвор?

Глобальный затвор полностью открывается, чтобы свет попал на всю поверхность сенсора. В зависимости от кадровой частоты, съемка движущегося объекта осуществляется в виде быстрой смены кадров. Глобальный затвор станет оптимальным выбором в тех областях, где требуется снимать быстродвижущиеся объекты, например дорожно-транспортная отрасль, логистика, а также контроль качества печатных материалов.

Скользящий затвор обеспечивает построчную экспозицию матрицы. В зависимости от заданной длительности экспозиции, на изображении могут возникать искажения в случае перемещения объекта в то время, когда затвор открыт, – так называемый, «эффект плавающего затвора». Однако это не означает, что следует отказаться от скользящего затвора только потому, что объекты съемки движутся. Во многих случаях «эффект плавающего затвора» можно предупредить за счет правильной настройки длительности экспозиции в сочетании с использованием внешней вспышки.

Для получения дополнительной информации о типах затвора см. технический документ Глобальный затвор и скользящий затвор: функциональные возможности и характеристики двух способов экспозиции.

Кадровая частота

Выражается в кадрах в секунду и часто обозначается «кадр/с». В случае линейных камер используется термин «частота строчного сканирования». Этот термин означает количество кадров, которые сенсор может отснять и передать за одну секунду.

Чем выше кадровая частота, тем выше быстродействие сенсора. => Чем выше быстродействие сенсора, тем больше кадров он может отснять за секунду. => Чем больше кадров, тем больше объем данных.

Решение 4. Разрешение, сенсор и размеры пикселя

Разрешение

Допустим, в технических характеристиках камеры указано 2048x1088. Что именно имеется в виду?

Эти числа означают количество пикселей в строке, в данном случае – 2048 пикселей по горизонтали и 1088 пикселей по вертикали. Если их перемножить, получим разрешение 2 228 224 пикселей, или 2,2 мегапикселя, то есть 2,2 миллиона пикселей (сокращенно – Мп).

Чтобы определить, какое разрешение требуется для решения конкретной задачи, необходимо выполнить простые математические расчеты:

Разрешение = (Размер объекта) / (Размер рассматриваемой детали объекта)

Экскурс. Как определить необходимое разрешение?

Предположим, требуется получить точный снимок цвета глаз человека ростом примерно 2 м, стоящего в конкретном месте:

Разрешение = (рост человека)/(участок глаза) = (2 м)/(1 мм) = 2.000 пикс (x;y) = 4 Mп

= > Для четкого различения на изображении объекта размером 1 мм потребуется разрешение 4 Мп.

Сенсор и размеры пикселя

Факт № 1. Начнем с простого. Чем больше поверхность самого сенсора и отдельных пикселей, тем больше света попадает на него во время экспозиции. Свет преобразуется в сигналы, которые используются сенсором для создания и обработки данных изображения. Пока что все просто, но пойдем дальше. Чем больше эта площадь, тем выше соотношение «сигнал – шум», что в особенности касается пикселей большого размера – 3,5 мкм и больше. Более высокое соотношение «сигнал – шум» подразумевает более высокое качество изображения. Значение 42 дБ считается хорошим результатом.

Факт № 2. Большой сенсор вмещает большее количество пикселей, а значит, обеспечивает более высокое разрешение. Реальное преимущество состоит в том, что 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.

Факт № 3. И все же, даже большой сенсор с большим количеством пикселей большого размера сможет обеспечить высокое качество изображения только при условии использования надлежащей оптической системы. Его потенциал будет полностью реализован только в случае выбора подходящего объектива, способного передать такое высокое разрешение.

Факт № 4. Сенсоры большого размера всегда будут более дорогостоящими, поскольку чем больше площадь, тем больше кремния требуется для их изготовления.