Auswahl einer Industriekamera für die Inspektion: Verschluss, Auflösung, Bildrate und Schnittstelle

Die folgende Abfolge bietet einen strukturierten Ansatz zur Bewertung der Kameraanforderungen für industrielle Inspektionsanwendungen:

Prüfaufgabe → Bewegung → kleinstes Merkmal → Aufnahmegeschwindigkeit → Optik / Beleuchtung → Kameraposition → Schnittstelle → Validierung

Die Kamera sollte erst ausgewählt werden, wenn diese Anforderungen klar sind.

Der Verschlusstyp wird besonders wichtig, wenn sich das Objekt oder die Kamera während der Belichtung bewegt.

Global-Shutter-Sensoren belichten alle Pixel gleichzeitig und tragen so dazu bei, bewegungsbedingte geometrische Verzerrungen zu minimieren.
Rolling-Shutter-Sensoren belichten aufeinanderfolgende Pixelzeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dadurch können geometrische Verzerrungen entstehen, wenn sich die Kamera oder das Motiv bewegt. Rolling Shutter eignet sich weiterhin für Anwendungen, bei denen diese Effekte vernachlässigbar sind oder kontrolliert werden können.

Global-Shutter-Sensoren sollten Sie in Betracht ziehen, wenn:
•Produkte kontinuierlich durch den Inspektionsbereich bewegt werden;
•bei bewegten Objekten Maßgenauigkeit erforderlich ist;
•die Objektposition geometrisch korrekt wiedergegeben werden muss;
•die Aufnahme mit der Bewegung oder einem externen Trigger synchronisiert wird;
•mehrere Kameras eine koordinierte Aufnahme erfordern.

Ein Rolling-Shutter-Sensor kann geeignet sein, wenn:
•das Produkt während der Aufnahme stillsteht;
•die Bewegung angehalten oder kontrolliert werden kann;
•bei der Anwendung eine hohe Auflösung für statische Aufnahmen im Vordergrund steht;
•Bewegungsverzerrungen für das Prüfergebnis nicht kritisch sind.

Ein Global-Shutter-Sensor verhindert Bewegungsunschärfe nicht automatisch. Bewegt sich das Objekt während der Belichtungszeit erheblich, kann das Bild weiterhin unscharf werden.

Eine ausführlichere Erläuterung dazu, wie sich die beiden Verschlusstechnologien auf bewegte und unbewegte Motive auswirken, finden Sie unter Global Shutter vs. Rolling Shutter bei Kameras.

Die erforderliche Auflösung sollte sich nach dem kleinsten Merkmal richten, das im benötigten Sichtfeld erkannt werden muss.
Eine höhere Megapixelzahl ist nicht automatisch besser.

Ein guter Ausgangspunkt ist:
Pixel pro mm = horizontale Bildauflösung ÷ horizontales Sichtfeld

Dann:
Pixel über dem Merkmal = Merkmalgröße × Pixel pro mm
Beispiel
Angenommen, ein Inspektionssystem erfasst ein 200-mm-Sichtfeld mit einer Kamera mit 4000 horizontalen Pixeln.
4000 ÷ 200 = 20 Pixel/mm
Wenn der kleinste Defekt 0,5 mm groß ist:
0,5 × 20 = 10 Pixel
Der Defekt würde im Bild also ungefähr 10 Pixel abdecken.


Ob das ausreicht, hängt von folgenden Faktoren ab:
•Defektkontrast;
•Optik;
•Beleuchtung;
•Inspektionsalgorithmus;
•erforderliche Zuverlässigkeit.

Die Berechnung sollte daher als Ausgangspunkt und nicht als allgemeingültiger Schwellenwert dienen.

Das wichtigste Auswahlprinzip lautet:
Kleineres Merkmal → mehr erforderliche Bilddetails → möglicherweise höhere Auflösung → mehr Bilddaten → höherer Bandbreiten- und Verarbeitungsbedarf.
Auch das Material zur Kameraauswahl betrachtet den erforderlichen Detailgrad und die Verarbeitungsgeschwindigkeit gemeinsam, statt eine bestimmte Auflösung unabhängig davon zu empfehlen. 

Die Bildrate bestimmt, wie häufig die Kamera Bilder an das Inspektionssystem liefern kann.

Die erforderliche Bildrate hängt ab von:

•Produktionsgeschwindigkeit;
•Abstand zwischen den Objekten;
•Inspektionshäufigkeit;
•Triggerung;
•Belichtungszeit;
•Anzahl der Kameras;
•erforderlichem Verarbeitungszyklus.

Eine schnelle Produktionslinie bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Kamera kontinuierlich mit einer sehr hohen Bildrate arbeiten muss.
Wenn beispielsweise jedes Produkt an einer festgelegten Inspektionsposition ein Bild auslöst, ist möglicherweise die erforderliche Triggerfrequenz wichtiger als die maximale kontinuierliche Bildrate in FPS.

Bei kontinuierlicher Bildaufnahme hängt die Bildrate direkter davon ab, wie schnell sich Objekte durch das Sichtfeld bewegen.

Auflösung und Bildrate müssen ebenfalls zusammen betrachtet werden:
Höhere Auflösung + höhere FPS = mehr Bilddaten pro Sekunde
Das wirkt sich sowohl auf die Schnittstellenbandbreite als auch auf die Prozessorlast aus.

Diese Beispiele veranschaulichen, wie sich Prüfanforderungen auf die Auswahl der Kamera auswirken.

• Inspektion von Förderbandprodukten auf Defekte
  Anforderung: Kleine Defekte an sich kontinuierlich bewegenden Produkten erkennen.

Auswirkungen auf die Kamera:
Ein Global Shutter kann die bessere Wahl sein, da sich das Produkt während der Belichtung bewegt. Die Auflösung muss genügend Pixel über den kleinsten relevanten Defekt liefern, während die Bildrate mit der erforderlichen Prüffrequenz Schritt halten muss.

Kurze Belichtungszeiten können außerdem höhere Anforderungen an die Beleuchtung stellen.

Auswirkungen auf die Schnittstelle:
Wird die Kamera in unmittelbarer Nähe des Prozessors integriert, kann MIPI CSI-2 geeignet sein. Bei einer Installation in größerer Entfernung sind GMSL2 oder FPD-Link III möglicherweise die bessere Wahl.

• Hochauflösende stationäre Oberflächeninspektion
  Anforderung: Feine Oberflächenmerkmale prüfen, während das Produkt stillsteht.

Auswirkungen auf die Kamera:
Auflösung und Bildqualität können wichtiger sein als eine hohe Bildrate. Da sich das Objekt während der Aufnahme nicht bewegt, kann auch ein Rolling Shutter geeignet sein.

Auswirkungen auf das System:
Optik und Beleuchtung können wichtiger sein als die maximale Kamerageschwindigkeit, da es vor allem darauf ankommt, den Defekt klar sichtbar zu machen.

• Ferninspektion im Inneren von Industrieanlagen
  Anforderung: Eine Komponente prüfen, die sich mehrere Meter vom Verarbeitungssystem entfernt befindet.

Auswirkungen auf die Kamera:
Verschlusstyp, Auflösung und FPS hängen weiterhin von der Prüfaufgabe ab.

Auswirkungen auf die Schnittstelle:
Der physische Abstand zwischen Kamera und Prozessor wird zu einer zusätzlichen Einschränkung. Eine SerDes-Architektur mit GMSL2 oder FPD-Link III ist möglicherweise besser geeignet als eine direkte MIPI CSI-2-Integration.