Das kleine 1x1 der Bildverarbeitung

Kameratechnologien in der Bildverarbeitung

Das Auge jedes Bildverarbeitungssystems

Die Kamera ist eines der wichtigsten Elemente in jedem Bildverarbeitungssystem. Sie erfasst die Bilddaten, die Inspektions-, Mess- und Steuerungsprozesse steuern. Die Wahl der richtigen Kameratechnologie wirkt sich direkt auf die Systemauflösung, Geschwindigkeit, Lichtempfindlichkeit und Integrationskomplexität aus. Bei STEMMER IMAGING helfen wir unseren Kunden, die für jede Anwendung am besten geeignete Kamera auszuwählen und zu konfigurieren.

Wichtige Typen von Industriekameras

Industriekameras sind in verschiedenen Technologien erhältlich, die jeweils für bestimmte Aufgaben und Umgebungen geeignet sind:

Flächenkameras – Die Standardwahl für die meisten 2D-Inspektionen; erfassen Vollbilder
Zeilenkameras – Für kontinuierliche Materialien (Textilien, Folien, rotierende Teile); erstellen Bilder Zeile für Zeile
3D-Kameras – Erfassen Tiefendaten; werden für die Behälterentnahme, Volumenmessung und Roboterführung verwendet

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Anpassung der Spezifikationen an die Anwendungsanforderungen

Sensortyp: CMOS vs. CCD

Der Sensortyp spielt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung sowohl der Bildqualität als auch der Anwendbarkeit der Kamera. Obwohl CCD-Sensoren traditionell in der industriellen Bildverarbeitung verwendet wurden, haben sich CMOS-Sensoren dank ihrer höheren Empfindlichkeit, geringeren Kosten und reduzierten Leistungsaufnahme für die meisten industriellen Anwendungen durchgesetzt. CMOS-Sensoren ermöglichen außerdem höhere Bildraten und eignen sich besser für die Integration in kompakte Systeme.

Die Auflösung definiert das kleinste erkennbare Merkmal

Die Auflösung einer Kamera bezieht sich auf die Anzahl der aktiven Pixel auf dem Sensor. Sie ist entscheidend für die Erkennung von Details in der industriellen Bildverarbeitung. Eine höhere Auflösung ermöglicht die Erfassung kleinerer Merkmale, was für genaue Inspektionen und Qualitätskontrollen unerlässlich ist.

Bei der Konzeption eines Systems ist es wichtig, die optimale Kameraauflösung zu berechnen, um die Inspektionsaufgabe robust und kostengünstig zu lösen. Eine zu hohe Auflösung kann zu unnötigen Kosten und erhöhtem Datenverarbeitungsaufwand führen, während eine zu geringe Auflösung möglicherweise nicht alle erforderlichen Details ausreichend erfasst.

Die Bildrate beeinflusst die Inspektionsgeschwindigkeit und das Timing

Die Bildrate, gemessen in Bildern pro Sekunde (fps), beeinflusst die Geschwindigkeit und Effizienz der Inspektion. In Anwendungen, in denen Objekte schnell bewegt oder verarbeitet werden, ist eine hohe Bildrate entscheidend, um sicherzustellen, dass alle relevanten Informationen erfasst werden, ohne dass Bilddaten verloren gehen. Eine unzureichende Bildrate kann zu Verarbeitungsverzögerungen und ungenauen Ergebnissen führen.

Shutter type: Global für bewegliche Teile und Rolling für statische Inspektionen.

Der Verschlusstyp hat einen erheblichen Einfluss auf die Bildqualität, insbesondere bei der Aufnahme von bewegten Objekten. Global Shutter erfassen das gesamte Bild gleichzeitig und sind daher ideal für bewegliche Teile, da sie Bewegungsunschärfen minimieren.

Rolling Shutter hingegen erfassen das Bild Zeile für Zeile und eignen sich besser für statische Inspektionen, bei denen Bewegung weniger kritisch ist. Die Wahl des richtigen Verschlusstyps hängt stark von der spezifischen Anwendung und der Bewegungsdynamik der zu inspizierenden Objekte ab.

Interface: USB3, GigE Vision, CoaXPress oder Camera Link

Gehäuse: kompakt, IP-geschützt oder temperaturgeregelt für raue Umgebungen

Das Kameragehäuse muss an die Umgebung angepasst sein, in der es eingesetzt wird. Kompakte Gehäuse sind ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, während IP-geschützte Gehäuse zusätzlichen Schutz vor Staub und Wasser bieten, was in industriellen Umgebungen unerlässlich ist.

Bei extremen Temperaturen kann ein temperaturgeregeltes Gehäuse erforderlich sein, um einen zuverlässigen Betrieb der Kamera zu gewährleisten. Die Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen ist entscheidend für die Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit der Kamera.

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Überlegungen zur Integration

Eine hochwertige Kamera muss mit der Optik, der Beleuchtung, der Software und dem mechanischen Design abgestimmt sein. STEMMER IMAGING unterstützt Sie dabei:

Auswahl und Spezifikation der Kamera
Integration der Schnittstellen und Verkabelung
Mechanische Montage und optische Ausrichtung
Synchronisation mehrerer Kameras für komplexe Ansichten

OEM-Module und eingebettete Bildverarbeitung

Für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot oder hohen Stückzahlen sind kompakte OEM-Kameramodule erhältlich. Diese ermöglichen eine tiefere Integration in Robotik, medizinische Geräte und Verbrauchergeräte. STEMMER IMAGING unterstützt die Anpassung der Hardware, das Wärmemanagement und regulatorische Aspekte.

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FAQ: Kameratechnologien in der industriellen Bildverarbeitung

Welche Arten von Industriekameras werden in der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt?

Die gängigsten Typen sind Flächenscanner und Zeilenscanner. Flächenscanner erfassen ein vollständiges rechteckiges Bild in einer einzigen Belichtung und sind die Standardwahl für die Inspektion einzelner Objekte oder Szenen. Zeilenscanner erfassen jeweils eine Zeile nach der anderen und bauen so ein Bild auf, während das Objekt vorbeiläuft – sie sind unverzichtbar für kontinuierliche Materialien wie Bahnen, Folien, Textilien oder zylindrische Oberflächen. Darüber hinaus erfüllen 3D-Kameras, Smart-Kameras und Wärmebildkameras spezifische Anwendungsanforderungen.

Was ist der Unterschied zwischen einer Flächenkamera und einer Zeilenkamera?

Eine Flächenkamera erfasst ein zweidimensionales Bild in einem einzigen Bildausschnitt. Sie eignet sich gut für statische oder sich bewegende Objekte, die in einer Momentaufnahme abgebildet werden können. Eine Zeilenkamera nutzt eine einzelne Pixelreihe, um Bilder schrittweise zu erfassen, während das Objekt an der Kamera vorbeiläuft. Dadurch eignet sich die Zeilenkamera ideal für die hochauflösende Inspektion von endlosen oder rotierenden Objekten, bei denen eine Flächenkamera mehrere, sich überlappende Bilder benötigen würde, um denselben Erfassungsbereich abzudecken. Die Zeilenscan-Technologie liefert zudem sehr hohe Auflösungen, ohne dass die Kosten und der Datenaufwand eines großflächigen Sensors anfallen.

Wie wähle ich die richtige Kameraschnittstelle für meine Anwendung aus?

Die richtige Schnittstelle hängt von den Bandbreitenanforderungen, der Kabellänge und davon ab, ob ein Framegrabber benötigt wird. USB3 Vision ist eine praktische Wahl für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Bandbreite und kurzen Kabelwegen. GigE Vision ist der am weitesten verbreitete Standard und bietet Ethernet-Reichweiten von bis zu 100 Metern ohne Framegrabber. Für sehr schnelle Anwendungen, die einen maximalen Datendurchsatz erfordern, bieten CoaXPress oder CameraLink die erforderliche Bandbreite, erfordern jedoch eine kompatible Framegrabber-Karte. Alle aktuellen Standards fallen unter das GenICam-Dach, wodurch eine plattformübergreifend einheitliche Kamerasteuerung gewährleistet ist.

Welche Auflösung benötige ich für meine Bildverarbeitungsanwendung?

Die Anforderungen an die Auflösung richten sich nach dem kleinsten Merkmal, das zuverlässig erkannt werden muss, der Größe des Sichtfelds und der erforderlichen Prüfgenauigkeit. Ein gängiger Ausgangspunkt ist, sicherzustellen, dass das Merkmal mindestens 2–3 Pixel im Bild einnimmt. Um beispielsweise einen 0,1-mm-Fehler an einem 100 mm breiten Bauteil zu erkennen, ist eine Kamera mit mindestens 1.000 Pixeln in dieser Dimension erforderlich. Die Auflösung muss stets gegen Bildrate, Sensorgröße und verfügbare Beleuchtung abgewogen werden – eine Erhöhung der Auflösung ohne Anpassung anderer Parameter führt in der Regel zu einer Verringerung der Bildrate.

Was ist GigE Vision und warum wird es in der industriellen Bildverarbeitung so häufig eingesetzt?

GigE Vision ist ein Standard für die industrielle Bildverarbeitung, der festlegt, wie Kameras Bilddaten über eine standardmäßige Gigabit-Ethernet-Infrastruktur übertragen. Seine weit verbreitete Nutzung ist auf die Verfügbarkeit von Ethernet-Hardware, Kabellängen von bis zu 100 Metern ohne Framegrabber und die Möglichkeit zurückzuführen, mehrere Kameras in einem einzigen Netzwerk zu betreiben. GigE Vision ist Teil des GenICam-Frameworks, das die Kamerakonfiguration herstellerübergreifend standardisiert. Varianten wie 2,5-GigE, 5-GigE und 10-GigE sind für Anwendungen gedacht, die eine höhere Bandbreite erfordern.

Können Industriekameras in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden?

Ja. Industriekameras sind für anspruchsvolle Umgebungen ausgelegt. Gehäuse mit IP-Schutzart schützen vor dem Eindringen von Staub und Wasser, und viele Modelle sind in kompakten, vibrationsfesten Ausführungen erhältlich. Für Anwendungen mit extremen Temperaturbereichen, hohem Druck oder chemischer Belastung können Standardkameras in speziellen Schutzgehäusen untergebracht werden. Bei der Auswahl einer Kamera für eine raue Umgebung ist es wichtig, sowohl die IP-Schutzart als auch den Betriebstemperaturbereich der Kamera zu berücksichtigen und die Kabelführung sowie den Schutz der Steckverbinder entsprechend zu planen.