Was ist eine Smart Camera?
Smart Cameras vereinen Bildaufnahme und Auswertung in einem Gehäuse. Optik und Beleuchtung sind oftmals nicht fest verbaut und können individuell konfiguriert werden. Damit ergibt sich eine vergleichbare Einsatzvielfalt wie bei einem herkömmlichen PC-basierten Vision-System. Die intelligenten Kameras verfügen in der Regel über eine Softwareumgebung, die von einfach gehaltenen bis hin zu umfangreichen Softwarepaketen, vergleichbar mit komplexen Bildverarbeitungsprogrammen, reichen kann.
Wie funktioniert eine Smart Camera?
Das Vereinen von Aufnahme und Auswertung von Bildern in einem kompakten und robusten Gehäuse zeichnet Smart Cameras aus. Durch den verbauten Prozessor werden die aufgenommenen Rohbilddaten intern weiterverarbeitet, wodurch eine direkte Ergebnisausgabe (z. B. Gut-/ Schlechtteil) erfolgen kann. In Kombination mit einer leistungsstarken Software gelingt die Lösung verschiedenster Aufgabenstellungen. Der Zugriff auf das Gerät erfolgt im Regelfall über eine Ethernet-Schnittstelle und die Applikation wird über eine grafische Benutzeroberfläche erstellt. Durch das Vereinen intelligenter Hardware mit leistungsfähiger Software, zum Teil sogar mit der Möglichkeit zur individuellen Programmierung, erhalten Anwendende eine hochleistungsfähige Lösung für ihre Applikation. Die Smart Camera als Komplettlösung vereinfacht das Aufsetzen eines Bildverarbeitungsprojekts erheblich.
Wie unterscheiden sich Smart Cameras und Vision-Sensoren?
Die Abgrenzung zwischen Vision-Sensoren und Smart Cameras ist nicht immer eindeutig, denn der Übergang gestaltet sich fließend.
Was ist ein Vision-Sensor?
Vision-Sensoren sind besonders kompakte Bauformen, deren Systeme neben der Beleuchtung auch bereits eine passende Optik aufweisen. In der Regel sind Vision-Sensoren in ihrer Auflösung und Rechenleistung limitiert und optimal auf eine bestimmte Applikation abgestimmt. Die Software kann auch ohne Spezialkenntnisse in der industriellen Bildverarbeitung schnell konfiguriert werden. Immer öfter kommen vortrainierte neuronale Netze zum Einsatz, welche dem Anwendenden simple Gut-/Schlecht-Klassifikationen unter Verwendung weniger Referenzbilder ermöglichen. Die Einsatzgebiete beschränken sich meist auf einfache Identifikationsaufgaben, Anwesenheitskontrollen und simple Messanwendungen.Wann kommen Kameras mit C-Mount und wann mit Autofokus zum Einsatz?
Die Optik einer Kamera definiert das resultierende Sichtfeld bei gegebenem Arbeitsabstand. Bei einem Großteil aller industriellen Bildverarbeitungsanwendungen sind diese Parameter durch die bekannte Objektgröße und Einbausituation fest vorgeschrieben. Daher kommen hier C-Mount Objektive zum Einsatz. Die Auswahl des richtigen Objektivs basiert auf Arbeitsabstand, Objektgröße und Sensorgröße. Hierbei unterstützt der Vision Calculator.
Ist mindestens einer der grundlegenden optischen Parameter variabel, so muss der Fokus schnellstmöglich an diese Veränderung angepasst werden. Geräte mit Autofokus ermöglichen es, unterschiedliche Fokuspositionen einzulernen. So ist beispielsweise bei der Prüfung von Verpackungen verschiedener Größen aufgrund des unterschiedlichen Arbeitsabstands eine Kamera mit Autofokus erforderlich.
Ist mindestens einer der grundlegenden optischen Parameter variabel, so muss der Fokus schnellstmöglich an diese Veränderung angepasst werden. Geräte mit Autofokus ermöglichen es, unterschiedliche Fokuspositionen einzulernen. So ist beispielsweise bei der Prüfung von Verpackungen verschiedener Größen aufgrund des unterschiedlichen Arbeitsabstands eine Kamera mit Autofokus erforderlich.
Smart Cameras mit C-Mount
Smart Cameras mit Autofokus
Wie funktioniert ein Autofokus?
Geräte mit Autofokus sorgen mit der automatischen Einstellung ihres Fokus auf ausgewählte Bildbereiche auch bei sich verändernden Abständen für hochaufgelöste Bilder. Grundlegend wird zwischen der mechanischen und der softwarebasierten Technologie unterschieden. Der mechanische Autofokus umfasst Technologien mit Motor, Flüssiglinse oder mit Piezo-Autofokus, während softwareseitig zwischen Kontrast- und Phasen-Autofokus differenziert wird.
Mechanische Funktionsweisen
Der klassische Autofokus basiert auf der Verwendung eines Motors, der die Linsen des Objektivs bewegt.
Diese Form des Autofokus nutzt eine Flüssiglinse, die sich unter Druck verformt. Die Flüssigkeit wird durch einen Elektromagneten gesteuert, der diese entweder anzieht oder abstößt. Dadurch wird die Linse des Objektivs bewegt.
Der Piezo-Autofokus basiert auf der piezoelektrischen Wirkung. Piezoelektrische Materialien haben die Eigenschaft, sich zu verformen, wenn eine elektrische Spannung anliegt. So können sie aber auch eine elektrische Spannung erzeugen, falls sie gedehnt oder zusammengedrückt werden. Im Falle des Autofokus wird die piezoelektrische Wirkung verwendet, um die Linsen des Objektivs zu bewegen.
Softwarebasierte Funktionsweisen
Die meisten Kompaktkameras verwenden den Kontrast-Autofokus. Dabei erfolgt die Schärfemessung über den Bildsensor, welcher Helligkeits- und Farbunterschiede analysiert. Die Linse wird solange verstellt, bis die optimale Schärfe erreicht ist. Der Kontrast-Autofokus übersteuert daher immer etwas und wird dann wieder zurückgedreht, er fährt also die Linse hin und her.
Der Phasen-Autofokus wird vor allem in der Fotografie verwendet, wobei die Schärfenmessung über den AF-Sensor erfolgt. Mit Hilfe von Zeilen- und Kreuzsensoren findet dann eine sehr komplizierte Berechnung durch den Sensor statt. Aus Winkeln und Abständen wird berechnet, in welche Richtung und wie weit das Objektiv verstellt werden muss. Das Hin- und Herfahren der Linse fällt beim Phasen-Autofokus somit weg.
Welche Technologie passt am besten zur Anwendung? Die Unterschiede auf einen Blick
| Piezo-Autofokus | Klassischer Autofokus (Motor) | |
|---|---|---|
| Geschwindigkeit |
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| Genauigkeit |
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| Temperaturunabhängigkeit | |
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| Leises Verstellen |
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Geschwindigkeit
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Piezo-Autofokus
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Klassischer Autofokus (Motor)
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Genauigkeit
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Piezo-Autofokus
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Klassischer Autofokus (Motor)
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Temperaturunabhängigkeit
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Piezo-Autofokus
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Klassischer Autofokus (Motor)
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Leises Verstellen
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Piezo-Autofokus
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Klassischer Autofokus (Motor)
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Welche Bedeutung hat die integrierte Beleuchtung?
Die Beleuchtung ist beim Einsatz von Smart Cameras und Vision-Sensoren essenziell. Um schwaches oder inhomogenes Umgebungslicht auszugleichen, sind Smart Cameras und Vision-Sensoren mit Autofokus meist mit einer integrierten Beleuchtung ausgestattet. Die oftmals wechselbaren Beleuchtungsmodule können je nach Anwendung direkt im Feld ausgetauscht werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um Auflicht, da integrierte Beleuchtungen nicht variabel zur Kamera ausgerichtet werden können. Um möglichst homogene Beleuchtungssituationen ohne Reflexionen zu erzeugen, sind bei einigen Modellen einzelne Segmente separat ansteuerbar. Dies ermöglicht insbesondere bei kurzen Arbeitsabständen die Simulation unterschiedlicher Beleuchtungswinkel und sorgt somit für diffuse Belichtung oder die Extraktion spezifischer Merkmale. In größeren Arbeitsabständen und bei Durchlichtanwendungen kommt häufig externe Beleuchtungstechnik zum Einsatz.
Welche Auflösung passt zu welcher Anwendung?
0,4 Megapixel (VGA)
Einfache Anwendungen, z. B. Anwesenheitskontrollen, etc.
1,6 Megapixel
Montagekontrollen, optische Zeichenerkennungen, etc.
5 Megapixel
Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, z. B. Messungen, Inspektionen, etc.
≥ 12 Megapixel
Inspektionen von höchster Präzision
Was ist ein Bildchip?
Der Bildchip (auch: Bildsensor) ist ein elektronisches Bauteil, das empfindlich auf Licht reagiert. Eintreffendes Licht (Photonen) wird durch den photoelektrischen Effekt in elektrische Ladung umgewandelt. In der Industrie kommen vorrangig monochrome Sensoren zum Einsatz, weil diese einen geringeren Datenverkehr verursachen. Meist handelt es sich hierbei um Complementary Metal-Oxid Semiconductor, kurz CMOS-Sensoren.
Wovon hängt die Größe eines Bildchips ab?
Je nach Auflösung liegen die Sensoren für die industrielle Bildverarbeitung in unterschiedlichen Größen vor. Je größer, desto technisch besser, aber desto unpraktischer auch für kompakte Kameras mit begrenztem Platzangebot. Aufgrund immer besserer Herstellungsprozesse, welche die Nachteile kleinerer Bildchips minimieren, tendiert der Markt zu immer kleineren Sensorgrößen. Fällt der Bildchip kleiner aus, bleibt auch weniger Platz für die einzelnen Pixel. Je größer ein Einzelpixel ist, desto mehr Licht kann dieser aufnehmen und desto weniger Licht muss der Anwendung zugeführt werden. Da in der Bildverarbeitung oftmals kurze Belichtungszeiten, z. B. in schnellen dynamischen Anwendungen, vorausgesetzt werden, muss hier insbesondere auf die Ausgewogenheit zwischen Pixelanzahl und -größe geachtet werden.Wann kommen Color-Bildchips zum Einsatz?
Der Einsatz einer Farbkamera, also einer Kamera mit Color-Bildchip, ist in den wenigsten Fällen erforderlich. Erst wenn Merkmale über kleine Farbunterschiede detektiert werden müssen, empfiehlt es sich, mit Color-Bildchips zu arbeiten. Dies liegt darin begründet, dass monochrome Sensoren eine deutlich höhere Lichtempfindlichkeit als Color-Bildchips aufweisen und sich durch den geringeren Datenverkehr positiv auf die Prozesszeit auswirken.
