#2 Kiến thức cơ bản về Camera Công nghiệp
1. Giới thiệu camera công nghiệp
Camera công nghiệp là thành phần quan trọng trong hệ thống thị giác máy, hiệu quả hoạt động liên quan trực tiếp đến chi phí hệ thống, hiệu suất và độ chính xác.
Khác với camera dân dụng, camera công nghiệp được thiết kế cho môi trường công nghiệp:
Làm việc liên tục 24/7
Chống nhiễu tốt
Độ ổn định cao
Hỗ trợ đồng bộ tín hiệu
Tốc độ xử lý nhanh
Một số loại camera công nghiệp:
Thành phần cơ bản của camera công nghiệp
Camera công nghiệp gồm:
Ngàm kết nối
Cảm biến quang
Mạch chuyển đổi tín hiệu
Cổng dữ liệu
Cổng I/O
Các loại ngàm phổ biến:
C-Mount
CS-Mount
S-Mount
Trong hầu hết các ứng dụng thị giác máy, camera công nghiệp thường sử dụng ống kính ngàm C. Vì thế, đa số camera công nghiệp hiện nay là loại ngàm C.
Chuẩn C-mount được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, mang đến nhiều lựa chọn lens với giá cả hợp lý. Nhiều lens góc rộng sử dụng biến thể của C-mount, gọi là CS-mount. Lens CS-mount được thiết kế gần cảm biến CMOS/CCD hơn 5mm so với lens C-mount.
Do đó: Lens CS-mount không thể lắp trực tiếp lên camera C-mount. Ngược lại, lens C-mount có thể dùng trên camera CS-mount nếu gắn thêm vòng đệm 5mm.
Chú ý khi lắp Lens với Camera:
Cổng dữ liệu
Các chuẩn giao tiếp phổ biến:
Cảm biến
Hai loại chính:
CCD
CMOS
CCD
Chất lượng hình ảnh cao
Độ nhiễu thấp
Giá thành cao
Tiêu thụ điện lớn
CMOS
Tốc độ cao
Tiêu thụ điện thấp
Giá rẻ
Được dùng phổ biến hiện nay
4 Phân loại camera công nghiệp
4. Tham số chính của camera công nghiệp
1. Kích thước pixel
Pixel là đơn vị cấu thành nhỏ nhất trên chip cảm biến của camera, đồng thời cũng là đơn vị cơ bản để thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang điện. Kích thước pixel là thông số dùng để mô tả kích thước của pixel.
Thông thường:
Camera có kích thước pixel nhỏ hơn 2.2 μm được gọi là camera pixel nhỏ.
Camera có kích thước pixel trong khoảng 2.2 ~ 5.5 μm được gọi là camera pixel trung bình.
Camera có kích thước pixel lớn hơn 5.5 μm được gọi là camera pixel lớn.
Camera pixel lớn thường được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học và y tế.
Camera pixel trung bình thường được ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp.
Trong khi đó, camera pixel nhỏ chủ yếu được dùng trong thị trường tiêu dùng.
Kích thước pixel có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng thu sáng của cảm biến hình ảnh:
Pixel càng lớn thì lượng ánh sáng thu được càng nhiều.
Khả năng cảm quang càng mạnh.
Nếu các điều kiện khác bị giới hạn nghiêm ngặt và độ sáng hình ảnh tổng thể không đủ, có thể lựa chọn camera có kích thước pixel lớn hơn để cải thiện độ sáng của hình ảnh.
2. Độ phân giải
Độ phân giải là số lượng điểm ảnh mà camera thu thập được trong mỗi lần chụp ảnh. Trên chip camera, nó thể hiện số lượng pixel của cảm biến, như minh họa ở Hình 2-10.
Ví dụ, nếu độ phân giải của một camera là:
2448 (H) × 2048 (V)
thì có nghĩa:
Số pixel theo chiều ngang là 2448
Số pixel theo chiều dọc là 2048
Camera này có tổng độ phân giải khoảng 5 megapixel (5 MP).
Thông thường, camera có độ phân giải càng cao thì giá thành càng đắt.
3. Kích thước chip cảm biến
Kích thước chip của camera dùng để biểu thị kích thước của cảm biến hình ảnh.
Độ phân giải phản ánh số lượng pixel trên chip camera. Khi đã biết kích thước pixel, có thể tính kích thước cảm biến theo công thức:
$$\text{Sensor Size} = \text{Pixel Size} \times \text{Resolution}$$
Kích thước cảm biến tính theo công thức trên cũng được gọi là kích thước chip camera. Thông thường, kích thước này được biểu thị bằng độ dài đường chéo của cảm biến, đơn vị là inch (").
Trong lĩnh vực camera công nghiệp:
1" sensor ≈ đường chéo thực tế khoảng 16 mm
(không phải 25.4 mm như inch thông thường. Đây là do chuẩn đặt tên kế thừa từ thời ống camera vacuum tube đời cũ.)
Các kích thước chip phổ biến：
Trong đó:
Con số trong ngoặc phía sau đơn vị inch biểu thị độ dài đường chéo của chip.
Các số ở phía dưới và bên phải lần lượt biểu thị kích thước theo chiều ngang và chiều dọc của chip, đơn vị là mm.
Tương tự, cũng có thể tính kích thước chiều ngang và chiều dọc của chip dựa trên Độ phân giải ngang H và Độ phân giải dọc V
4. Độ sâu pixel (Pixel Depth)
Độ sâu pixel là định dạng đầu ra của tín hiệu số trong camera công nghiệp, dùng để chỉ số bit dữ liệu của mỗi kênh trên mỗi pixel.
Độ sâu pixel thường dùng nhất là 8 bit. Ngoài ra, camera số còn có các mức:
10 bit
12 bit
16 bit
...
Giá trị độ sâu pixel càng lớn thì:
Chi tiết hình ảnh càng phong phú
Số mức xám càng nhiều
Dung lượng lưu trữ hình ảnh càng lớn
Mối quan hệ giữa độ sâu pixel, chi tiết hình ảnh và dung lượng lưu trữ được thể hiện rõ qua ví dụ trên.
Trong thực tế sử dụng, cần lựa chọn độ sâu pixel phù hợp tùy theo yêu cầu về mức xám của hình ảnh.
Khi độ sâu pixel lớn hơn 8 bit, màn hình máy tính thông thường không thể hiển thị trực tiếp đầy đủ, mà cần chuyển đổi về dạng hiển thị 8 bit hoặc thấp hơn để quan sát.
5. Thời gian phơi sáng (Exposure Time)
Thời gian phơi sáng là khoảng thời gian mà cảm biến hình ảnh thu nhận ánh sáng sau khi màn trập của camera được mở trong quá trình chụp.
Thời gian phơi sáng càng dài thì hình ảnh càng sáng.
Tuy nhiên, nếu thời gian phơi sáng quá dài sẽ gây ra hiện tượng quá sáng (overexposure), làm mất chi tiết hình ảnh và giảm khả năng chống rung của hệ thống.
Khả năng chống rung càng kém thì:
Khi chụp vật thể chuyển động với thời gian phơi sáng dài sẽ dễ xuất hiện hiện tượng nhòe chuyển động (motion blur).
Vệt kéo bóng của vật thể sẽ càng dài.
Ngược lại:
Nếu thời gian phơi sáng quá ngắn, hình ảnh sẽ quá tối.
Các chi tiết ở vùng tối dễ bị mất.
Mối quan hệ giữa thời gian phơi sáng với độ xám và chất lượng hình ảnh được minh họa trong hình:
Khi tăng thời gian phơi sáng, độ sáng của hình ảnh tăng dần.
Nhưng nếu quá mức, hình ảnh sẽ bị bệt sáng và mất chi tiết.
Vì vậy, khi chụp ảnh cần lựa chọn thời gian phơi sáng phù hợp để đảm bảo:
Hình ảnh có đủ chi tiết
Độ tương phản tốt
Hạn chế nhòe chuyển động
6. Gain (Độ khuếch đại)
Trong camera công nghiệp, có thể điều chỉnh gain để thay đổi độ dốc của đường đáp ứng giữa tín hiệu điện tử của cảm biến hình ảnh và giá trị mức xám đầu ra, từ đó thay đổi độ sáng của hình ảnh đầu ra từ camera.
Khi mức tín hiệu đầu vào của cảm biến giữ nguyên:
Tăng gain sẽ làm tăng độ dốc của đường đáp ứng.
Giá trị mức xám đầu ra của camera sẽ cao hơn, như minh họa ở hình a
Trong môi trường ánh sáng yếu:
Có thể tăng gain để khuếch đại tín hiệu.
Qua đó cải thiện độ sáng của hình ảnh.
Tuy nhiên:
Quá trình này không chỉ khuếch đại tín hiệu cần thiết,
Mà còn khuếch đại cả nhiễu (noise) do camera sinh ra.
Như minh họa ở hình b và c:
- Khi gain tăng, độ nhiễu của hình ảnh cũng tăng rõ rệt.
Vì vậy:
- Chỉ nên sử dụng gain để tăng độ sáng hình ảnh trong các điều kiện môi trường cực hạn hoặc thiếu sáng nghiêm trọng.
7. Tốc độ khung hình (Frame Rate)
Tốc độ khung hình là số lượng khung hình mà camera có thể thu thập và truyền tải trong mỗi giây, đơn vị là fps (frames per second).
Tốc độ khung hình càng cao thì số lượng hình ảnh thu được trong mỗi giây càng nhiều.
Tốc độ khung hình thường dùng của camera nằm trong khoảng 14 ~ 20 fps.
Tốc độ khung hình của camera bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như:
Loại chip cảm biến
Độ phân giải
Độ sâu pixel
Thời gian phơi sáng
Băng thông giao tiếp dữ liệu
Thiết kế chip
Do tốc độ đọc tín hiệu của CMOS nhanh hơn CCD nên:
- Camera CMOS thường có tốc độ khung hình cao hơn.
Thông thường:
Độ phân giải càng thấp
Dữ liệu hình ảnh càng nhỏ
Tốc độ khung hình càng cao
5. Tính toán độ phân giải
Để đảm bảo camera được lựa chọn có thể đáp ứng yêu cầu độ chính xác của hệ thống kiểm tra thị giác, cần tiến hành tính toán độ phân giải của camera.
Công thức tính như sau:
$$\text{Độ phân giải theo một chiều của camera} = \frac{\text{Kích thước vùng nhìn theo một chiều}} {\text{Độ chính xác thị giác}}$$
$$\text{Độ phân giải theo một chiều của camera} = \frac{\text{Kích thước vùng nhìn theo một chiều}} {\text{Độ chính xác thị giác}}$$
Trong đó:
Vùng nhìn (FOV – Field of View) là khu vực lớn nhất mà cảm biến hình ảnh của camera có thể quan sát được.
Độ chính xác thị giác còn gọi là độ phân giải pixel, biểu thị kích thước thực tế tương ứng với một pixel trong ảnh.
Ví dụ:
Nếu chiều ngang vùng nhìn là 32 mm
Độ phân giải ngang của camera là 1600 pixel thì độ chính xác của hệ thống thị giác sẽ là:
$$32 mm ÷ 1600 = 0.02 mm$$
Điều này có nghĩa mỗi pixel trong ảnh tương ứng với 0.02 mm ngoài thực tế.
Việc lựa chọn độ chính xác thị giác và phương pháp tính toán độ phân giải camera như sau:
1) Xác định vùng kiểm tra và chi tiết nhỏ nhất
Việc xác định vùng kiểm tra nhằm xác định kích thước vùng nhìn (FOV). Thông thường, kích thước vùng nhìn nên tối thiểu bằng khoảng 120% kích thước của đối tượng cần kiểm tra.
Việc xác định kích thước chi tiết nhỏ nhất nhằm xác định mức độ chi tiết mà hệ thống thu nhận ảnh cần tái hiện được.
2) Xác định độ chính xác thị giác phù hợp
Tùy theo từng loại dự án mà yêu cầu độ chính xác thị giác sẽ khác nhau. Do trong quá trình thu nhận ảnh luôn tồn tại nhiễu, để phân biệt được chi tiết nhỏ nhất của vật thể, thông thường độ chính xác của hệ thống thu nhận ảnh nên đạt từ 2 ~ 3 lần kích thước chi tiết nhỏ nhất cần phát hiện.
Độ chính xác càng cao thì khả năng tái hiện chi tiết càng tốt, nhưng cũng làm tăng dung lượng lưu trữ và dữ liệu xử lý.
| Loại tác vụ | Số pixel cần thiết |
|---|---|
| So khớp hình dạng | 1/10 ~ 1/4 pixel |
| Kiểm tra biên cạnh | 1/4 ~ 2 pixel |
| Kiểm tra khuyết tật | 4 ~ 10 pixel |
3) Xác định độ phân giải camera
Sau khi xác định kích thước vùng nhìn và độ chính xác thị giác, có thể tính toán độ phân giải camera theo công thức: Độ phân giải camera = Kích thước vùng nhìn / Độ chính xác thị giác (2-3)
Ví dụ:
Đối tượng kiểm tra có kích thước 40 mm × 40 mm. Chọn FOV = 48 mm × 48 mm (120%), khuyết tật nhỏ nhất cần phát hiện là 0.2 mm,
Chọn 10 pixel để tái hiện chi tiết nhỏ nhất, yêu cầu độ chính xác thị giác sẽ là:
$$0.2 mm ÷ 10 = 0.02 mm/pixel$$
Độ phân giải cần thiết là :
$$48 mm ÷ 0.02 mm = 2400$$
Độ phân giải tối thiểu của camera:
$$2400 × 2400 = 5760000 (~5.76 MP)$$
6. Lựa chon Camera công nghiệp
Việc lựa chọn camera công nghiệp ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, độ chính xác và hiệu quả của quá trình thu thập dữ liệu. Đối với từng nhiệm vụ đo lường cụ thể, việc lựa chọn camera phù hợp có thể nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép đo. Quy trình lựa chọn camera thường gồm các bước sau:
Xác định yêu cầu kiểm tra. Ví dụ, khi kiểm tra vật thể chuyển động trên băng tải, cần xác định tốc độ chuyển động, tốc độ màn trập, thời gian phơi sáng và thiết kế nguồn sáng. Đồng thời, cần xác định kích thước vùng quan sát (FOV) phù hợp với đối tượng cần đo và yêu cầu độ chính xác cần đạt được.
Xác định nhu cầu màu sắc. Camera công nghiệp 2D chủ yếu được chia thành hai loại: camera màu và camera đen trắng. Thông thường, chỉ khi cần nhận diện thông tin màu sắc, như chân linh kiện được sơn màu trên PCB hoặc sản phẩm in màu, mới cần sử dụng camera màu.
Xác định độ chính xác thị giác. Dựa trên yêu cầu kiểm tra, có thể tính toán kích thước vùng quan sát phù hợp với đối tượng kiểm tra và xác định độ chính xác cần đạt được, sau đó tính toán độ chính xác thị giác của hệ thống cũng như độ phân giải của camera theo phương pháp trình bày ở mục 5.
Xác định thông số phần cứng. Dựa trên các thông số như độ phân giải camera, độ chính xác thị giác đã tính toán, cùng với yêu cầu về tốc độ thu thập dữ liệu, vị trí lắp đặt và phương thức truyền dữ liệu để xác định thông số của từng linh kiện trong camera.
Lựa chọn loại cảm biến camera. Với cùng độ phân giải, camera CCD có chất lượng hình ảnh tốt hơn camera CMOS nhưng giá thành cũng cao hơn. Vì vậy, trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác quá cao, có thể cân nhắc sử dụng camera CMOS; còn với yêu cầu độ chính xác rất cao, có thể lựa chọn camera CCD. Những năm gần đây, hiệu năng của cảm biến CMOS đã dần tiệm cận CCD, do đó nếu đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật thì nên ưu tiên CMOS để tối ưu chi phí.
Lập danh sách theo kết quả lựa chọn, từ đó xác định model camera cuối cùng. Tổng hợp và cân nhắc các yếu tố liên quan từ đó xác định model camera cuối cùng.
Tóm lại, camera công nghiệp là thành phần cốt lõi trong hệ thống thị giác máy, quyết định trực tiếp đến độ chính xác, tốc độ và tính ổn định của toàn hệ thống. Việc lựa chọn camera cần dựa trên yêu cầu thực tế như vùng quan sát (FOV), độ chính xác thị giác, tốc độ chụp, điều kiện ánh sáng và phương thức truyền dữ liệu.
Bên cạnh đó, các thông số như kích thước pixel, độ phân giải, thời gian phơi sáng, gain và tốc độ khung hình đều ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh và hiệu quả kiểm tra. Vì vậy, cần tính toán hợp lý giữa yêu cầu kỹ thuật và chi phí để lựa chọn được giải pháp camera phù hợp nhất cho từng ứng dụng công nghiệp.
Ở các phần tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu sâu hơn về lens công nghiệp, nguồn sáng và cách phối hợp các thành phần để xây dựng một hệ thống thị giác máy hoàn chỉnh.
Bài viết được tổng hợp từ nhiều tài liệu và nguồn tham khảo về Machine Vision do Chùy Tử sưu tầm và biên soạn.
Mọi góp ý và thảo luận vui lòng để lại tại Fanpage Chùy Tử 🚀
