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Technologie des caméras de vision industrielle

Les caméras de vision industrielle jouent un rôle essentiel dans les applications de vision, en particulier dans le contrôle automatisé de la qualité. En combinaison avec des contrôleurs de vision industrielle et un logiciel de traitement d’images 2D, les données d’images à haute résolution sont analysées, ce qui permet d’identifier les erreurs ainsi que les irrégularités dans les processus de production.

Qu’est-ce qu’une caméra de vision industrielle ?

Une caméra de vision industrielle fait partie intégrante du système de traitement d’images 2D. Sa fonction principale est d’enregistrer des images qui sont ensuite traitées par une combinaison de composants matériels et logiciels. Les informations obtenues sont traitées pour différentes applications.

Un exemple typique d’application de traitement d’images dans un système de fabrication est le contrôle qualité, le contrôle de présence et le contrôle d’exhaustivité. Il s’agit d’analyser une caractéristique spécifique d’une pièce produite sur une ligne de fabrication. Il est ainsi possible de vérifier si la pièce répond aux critères de qualité ou si elle doit être rejetée, le cas échéant.

La caméra fait partie du système de traitement d’images.

Variantes de caméras des systèmes de traitement d’images 2D

Caméras linéaires

Les caméras linéaires sont principalement utilisées dans le cadre de processus d’inspection en continu. Elles sont particulièrement adaptées pour les applications impliquant des déplacements d’objets sur des convoyeurs ou le traitement de matériaux sans fin. Contrairement aux caméras matricielles, les caméras linéaires ne capturent pas l’image en une seule fois, mais ligne par ligne. Pour obtenir une image complète, l’objet doit se déplacer dans le champ de vision de la caméra pendant l’enregistrement. Le logiciel assemble ensuite les différentes lignes pour former une image globale. Pour de telles applications, ces caméras sont nettement plus rapides que les modèles 2D classiques. Elles conviennent donc particulièrement pour les applications à grande vitesse.

Leurs performances sont souvent supérieures à celles des caméras 2D, notamment pour les processus en fonctionnement continu. La qualité de l’image dépend essentiellement de facteurs tels que le déplacement régulier de l’objet, le moment de l’enregistrement, la résolution des lignes et le temps d’exposition. Parmi les exemples d’application types figurent le contrôle qualité de matériaux textiles, du papier, de tissus et d’autres matériaux en bande qui nécessitent une capture d’images précise et sans faille.

Caméras linéaires

Contrairement à la caméra linéaire, qui capture une image ligne par ligne, la caméra matricielle utilise un capteur qui saisit l’image en intégralité en une seule fois. Elle est ainsi capable de produire une image bidimensionnelle complète en une seule prise de vue.

Les caméras matricielles sont largement utilisées pour toutes les applications nécessitant une imagerie instantanée et complète, par exemple pour le contrôle qualité industriel, l’imagerie médicale, les systèmes de surveillance et de nombreux autres domaines requérent une précision élevée et un traitement rapide des images. Elles sont particulièrement adaptées aux objets fixes, car aucun mouvement relatif n’est nécessaire entre la caméra et l’objet.
L’avantage est l’enregistrement précis d’images 2D détaillées et en haute résolution. Les caméras matricielles sont particulièrement utilisées pour les applications nécessitant une qualité d’image très élevée.

Distinction des caméras matricielles : les caméras de vision industrielle et les Smart Caméras

Caméras de vision industrielle

  • L’évaluation des images est réalisée soit via le contrôleur de vision industrielle et le logiciel de traitement d’images, soit à l’aide d’un logiciel tiers en tant que solution autonome (standalone)

  • Il est possible de connecter plusieurs caméras sur un seul contrôleur de vision industrielle

  • Les temps de processus sont plus rapides grâce à la puissance de calcul élevée du contrôleur de vision industrielle

  • Convient aux tâches d’inspection à très haute résolution

  • Format compact de la caméra



 

Smart Cameras

  • L’enregistrement et l’évaluation des images s’effectuent directement dans la Smart Camera via le logiciel de traitement d’images

  • Les résultats sont transmis via des interfaces de communication intégrées telles que Profinet, TCP, etc.

  • Technique d’éclairage intégrée en option

  • Pas besoin de contrôleur supplémentaire


La sélection de la caméra commence par la puce de traitement d’images

Qu’est-ce qu’une puce de traitement d’images ?

La puce de traitement d’image (également appelée capteur d’image) est un composant électronique sensible à la lumière. La lumière entrante (photons) est convertie en charge électrique par l’effet photoélectrique. Dans l’industrie, on utilise essentiellement des capteurs monochromes, qui génèrent moins de trafic de données. Il s’agit le plus souvent de capteurs à semiconducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS).

Caméra monochrome ou couleur ? Quand utiliser quoi ?

Image réelle

Capture d’images avec une caméra monochrome

Une caméra monochrome est capable de distinguer les valeurs de gris.

Capture d’images avec une caméra couleur

Une caméra couleur est capable de différencier les valeurs de couleur des objets. 

Fonctionnement des capteurs CMOS avec Global ou Rolling Shutter

Pour les capteurs d’images CMOS, il existe deux procédés d’exposition qui contrôlent la manière dont une image est captée et chargée. Ces procédés déterminent le temps d’exposition et, donc, la quantité de lumière qui est émise sous forme de valeur convertie en électrons dans le capteur de la caméra. On fait la distinction entre Global Shutter et Rolling Shutter :

Global Shutter

Exposition de toute la surface de l’image à la fois 
Pour les applications statiques et dynamiques
Pas de distorsion de l’image pour les objets en mouvement

Rolling Shutter

L’exposition des lignes est temporisée
Pour les applications statiques
Distorsion de l’image en cas de mouvements rapides de l’objet (effet « Rolling Shutter »)
Capture d’images fixes 

L’effet Rolling Shutter

Avec le Rolling Shutter, le temps d’exposition est le même pour tous les pixels du capteur, mais les lignes individuelles sont exposées successivement suivant un délai de temporisation. L’effet Rolling Shutter se produit lorsqu’un objet se déplace plus rapidement que le temps d’exposition et de chargement, d’où une distorsion de l’image due à l’exposition.

Gauche : Global Shutter; droite : Rolling Shutter

Dans le traitement d’images industriel, on distingue les caméras monochromes et les caméras couleur. Les caméras monochromes détectent les niveaux de gris et se concentrent sur les différences de luminosité de l’image. Elles sont ainsi particulièrement adaptées aux applications nécessitant des contrastes et des détails fins, comme l’inspection de surfaces ou la mesure d’objets.

Une caméra couleur est capable de distinguer les objets les uns des autres et de l’arrière-plan. Les filtres de pixels rouge, vert et bleu permettent de capter un spectre de couleurs allant jusqu’à 16,7 millions de couleurs. Cela permet de détecter des objets de différentes couleurs qui ne pourraient pas être distingués avec des caméras monochromes.

Autres caractéristiques des capteurs

Les capteurs ou puces de traitement d’images se distinguent par de nombreuses caractéristiques, notamment la taille du capteur, la résolution, la taille de pixel, la fréquence d’image, la sensibilité à la lumière et la plage dynamique. Des capteurs de différentes tailles sont utilisés pour le traitement d’images industriel en fonction de la résolution. Les modèles plus grands offrent généralement des performances plus élevées, mais sont moins adaptés aux systèmes de caméras compacts et aux espaces exigus.

Compte tenu des progrès réalisés au niveau des processus de fabrication, qui minimisent les inconvénients des puces d’image plus petites, le marché tend vers des tailles de capteurs de plus en plus réduites. Plus la taille du capteur diminue, plus l’espace disponible pour les pixels individuels diminue. Plus un pixel est grand, plus il peut absorber de lumière, ce qui réduit les besoins en lumière supplémentaires de l’application.

Un rapport équilibré entre le nombre et la taille de pixels est donc essentiel pour une qualité d’image fiable, notamment pour les applications industrielles avec des temps d’exposition courts, par exemple les processus dynamiques rapides.

Dans la mesure où le traitement d’images exige souvent des temps d’exposition courts, par exemple dans les applications dynamiques rapides, il convient ici de veiller tout particulièrement à l’équilibre entre le nombre et la taille des pixels.  

Résolution

La résolution d’un capteur indique le nombre de pixels : plus la résolution est élevée, plus la taille de pixel est petite (pour une taille de capteur équivalente) et plus les détails visibles sont fins. Les capteurs peuvent avoir des résolutions différentes pour les mêmes dimensions, car la taille de pixel peut varier. 

Fréquence d’image

La fréquence d’image indique le nombre d’images complètes capturées par une caméra par seconde. Une fréquence d’image plus élevée permet de capturer de nombreuses images dans des applications à cadence rapide.

Temps d’exposition

Le temps d’exposition détermine la quantité de lumière qui tombe sur le capteur CMOS et influence ainsi la luminosité de l’image captée. Un temps d’exposition plus long permet d’obtenir des images plus claires, mais peut également entraîner un flou lié au mouvement et un bruit d’image (parasitage) accru. Un temps d’exposition court permet des applications rapides et réduit le flou de mouvement associé. 

La bonne résolution pour chaque application

RésolutionPrécisionExemples
1,6 MPApplications ne nécessitant pas une résolution extrêmement élevéeReconnaissance optique des caractères, contrôle de montage, contrôle de présence
5 MPApplications nécessitant un niveau de détail moyenInspection des emballages
12 MPApplications nécessitant une précision élevéeInspection de pièces mécaniques fines
24 MPApplications nécessitant une résolution et une précision de détail très élevéesContrôle des circuits imprimés à la recherche de composants défectueux

Principaux composants des systèmes de traitement d’images 2D

Guide de sélection de l’objectif approprié

Déterminez l’objectif adapté à l’application et au choix de la caméra avec le calculateur de vision : 

L’interface des caméras de vision industrielle

Une interface Ethernet pour caméras industrielles permet de transférer des données d’images sur un réseau. Cette interface est souvent utilisée dans le traitement d’images industriel pour connecter des caméras à des contrôleurs de vision industrielle ou à d’autres appareils.

Gigabit Ethernet (GigE)

Gigabit Ethernet (GigE) est une technologie Ethernet qui permet des vitesses de transfert de données allant jusqu’à 1 gigabit par seconde (1 Gbit/s). Les principales caractéristiques du Gigabit Ethernet associées aux caméras industrielles sont les suivantes :
 
  • Transfert rapide de grandes quantités de données d’image

  • Intégration facile grâce au protocole standard

  • Possibilité d’utiliser plusieurs caméras sur un réseau


En outre, il est possible de raccorder la caméra de vision industrielle par câble via PoE (Power over Ethernet), ce qui permet à la fois l’alimentation électrique et la transmission de données via un seul port.


Possibilités d’utilisation des caméras de vision industrielle

Contrôle de la position

Positionnement robotique

Mesure des pièces

Contrôle qualité

Contrôle de présence

Surveillance des processus

Lecture de code

Solution fiable pour les applications multisectorielles

Industrie automobile

  • Contrôle qualité des portes intérieures de voitures

  • Contrôle qualité des blocs-moteurs

  • Détection de position pour le vissage automatisé

Industrie électronique

  • Contrôle de la position des platines

  • Contrôle de l’alignement des composants

  • Inspection des connecteurs et des câbles

Industrie de l’emballage

  • Vérification de l’absence de dommages, de salissures ou d’étiquettes manquantes sur les emballages

  • Contrôle des étiquettes d’emballage

  • Contrôle de la durée de conservation minimale des bouteilles en PET

Industrie agroalimentaire

  • Alignement de canettes de boissons 

  • Contrôle des étiquettes sur les emballages

  • Inspection de bouchons fixés

Aspects à prendre en compte lors du montage de caméras de vision industrielle

Pour garantir une capture d’images fiable, les instructions suivantes doivent être respectées lors du réglage de la caméra industrielle.
Plan de l’objet parallèle à la caméra.
Plan de l’objet non parallèle à la caméra. Des défauts peuvent apparaître (zones floues notamment). 
Outre l’orientation optimale de la caméra, le positionnement de l’éclairage joue un rôle déterminant. La forme de l’objet à examiner est déterminante pour la manière dont la lumière atteint la caméra, afin de créer le contraste le plus élevé possible. Il est important de tenir compte, par exemple, de l’angle et des réflexions qui en résultent. 
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