Endüstriyel kamera ve lens seçimi, bir görüntü işleme projesinde ilk ve en pahalı hatanın yapıldığı yerdir. Yanlış çözünürlükte kamera alındığında yazılım ne kadar iyi olursa olsun küçük hata görünmez; yanlış lens alındığında parça ya kadraja sığmaz ya da gereksiz yere küçük kalır. Bu yazıda bir vision mühendisinin seçim yaparken sırayla sorduğu soruları, gerçek sayılarla bir hesap örneği üzerinden anlatıyoruz.
Sistemin genel yapısı için önce endüstriyel görüntü işleme sayfasına göz atabilirsiniz. Kamera kadar önemli olan ışık tarafı ise ayrı bir yazının konusu: görüntü işlemede aydınlatma.
Bu yazıda (14 başlık)
Alan tarama mı, çizgi tarama mı?
- Alan tarama (area scan): Sensör iki boyutludur, her tetikte tam bir kare alır. Duran veya kesik hareketle gelen parçalarda, montaj kontrolünde, kod okumada standart seçimdir.
- Çizgi tarama (line scan): Sensör tek (veya birkaç) satırdır. Görüntü, parça kameranın altından geçerken satır satır birleştirilir. Kesintisiz akan malzemede (sac, kâğıt, film, kumaş) ve silindirik parçaları döndürerek açmada kullanılır. Satırların hareketle senkron olması gerektiği için genellikle enkoderden tetiklenir.
Pratikte şöyle düşünün: Ürün tek tek geliyorsa alan tarama, ürün “sonsuz bir şerit” ise çizgi tarama. Yüzey kontrolünde çizgi tarama tercihi için: üretimde yüzey kalite kontrol otomasyonu.
Mono mu, renkli mi?
Renk bilgisi gerçekten karar için gerekmiyorsa monokrom kamera seçin. Renkli endüstriyel kameraların çoğu piksellerin üzerinde Bayer renk filtresi taşır; her piksel yalnızca bir rengi görür ve eksik renkler komşu piksellerden hesaplanır. Bu yüzden aynı sensörde renkli kamera daha az ışık toplar ve ince detayda daha zayıftır. Renkli kamerada aynı detayı güvenle görmek için en küçük özelliğe monokroma göre daha fazla piksel düşmesi gerekir.
Renkli kamera; kablo rengi, etiket rengi, kapak rengi gibi ayrımın doğrudan renkle yapıldığı işlerde gerekir. Çoğu zaman renkli kamera yerine monokrom kamera ile doğru renkte ışık kullanmak daha kararlı sonuç verir.
Global shutter ve rolling shutter
Rolling shutter sensörde satırlar sırayla pozlanır. Parça pozlama sırasında hareket ediyorsa ilk satır ile son satır arasında parça yer değiştirir ve görüntü eğilir; örneğin hızla dönen bir pervane veya hızlı geçen bir parça eğik ya da bükülmüş görünür. Global shutter sensörde tüm pikseller aynı anda pozlanır, bu bozulma olmaz.
Kural basit: Konveyörde hareket eden parça, robot üzerindeki kamera veya hızlı mekanizma varsa global shutter. Tamamen duran parçada rolling shutter da iş görür ve genelde daha ucuzdur.
Çözünürlük hesabı: piksel başına özellik kuralı
Endüstriyel kamera seçimi sorusunun özü şudur: En küçük görmek istediğim şey kaç piksele düşecek? Sektörde yaygın başlangıç kuralı, algılanacak en küçük özelliğin en az 3-4 piksel kaplamasıdır. Bu bir alt sınırdır; düşük kontrastlı hatalarda daha fazlası gerekir.
Hesap örneği:
- Görüş alanı (FOV): Parça 90 mm, konum toleransı için pay bırakıyoruz, yatayda 100 mm.
- En küçük hata: 0,2 mm çizik.
- Hedef: hata başına 3 piksel.
- Gereken piksel boyutu (nesne tarafında): 0,2 / 3 = 0,067 mm/piksel.
- Gereken yatay piksel sayısı: 100 / 0,067 = yaklaşık 1500 piksel.
Piyasada yaygın 5 MP’lik bir sensör (örneğin 2448 × 2048 piksel, 3,45 µm piksel, 2/3″ format) seçersek: 100 / 2448 = 0,041 mm/piksel olur ve 0,2 mm’lik çizik yaklaşık 4,9 piksel kaplar. Rahat bir pay. Dikey görüş alanı da sensör oranından 100 × 2048 / 2448 ≈ 84 mm çıkar.
Ölçüm (gauging) uygulamalarında hesap farklıdır: Ölçmek istediğiniz toleransın piksel boyutunun birkaç katı olması gerekir; alt piksel algoritmaları yardımcı olur ama kalibrasyon, lens bozulması ve ışık tekrarlanabilirliği de hesaba girer.
Sensör boyutu ve piksel boyutu
Sensör boyutu = piksel sayısı × piksel boyutu. Örnekteki sensör için yatay genişlik 2448 × 3,45 µm = 8,45 mm, dikey 7,07 mm’dir. Bu değer lens hesabında doğrudan kullanılır.
Küçük piksel aynı alana daha çok çözünürlük sığdırır ama her piksel daha az ışık toplar. Büyük piksel daha az gürültü ve daha kısa pozlama demektir. Ayrıca lensin desteklediği maksimum sensör formatı kamerayla uyumlu olmalıdır; 2/3″ sensöre 1/2″ için tasarlanmış lens takarsanız köşeler kararır.
Kare hızı ve hareket bulanıklığı
Kare hızını hat hızı belirler: Dakikada 120 parça geçiyorsa saniyede 2 kare yeter, ama işleme süresini de bu süreye sığdırmanız gerekir. Asıl sorun genellikle hareket bulanıklığıdır.
Hesap örneği: Konveyör 0,5 m/s (500 mm/s), pozlama 100 µs. Pozlama süresince parça 500 × 0,0001 = 0,05 mm yol alır. 0,041 mm/piksel çözünürlükte bu yaklaşık 1,2 piksel bulanıklık demektir. Kabul edilebilir sınırdadır; daha kısa pozlama için ışığı strobe (flaş) modunda sürmek gerekir.
Kamera arayüzleri: GigE Vision, USB3 Vision, CoaXPress, Camera Link
| Arayüz | Standardı yöneten | Öne çıkan özellik |
|---|---|---|
| GigE Vision | AIA, 2006 (bugün A3) | Standart Ethernet kablosu, 100 m’ye kadar kablo, çok kameralı sistemlerde pratik |
| USB3 Vision | A3, 2013 | Tak-çalıştır, düşük maliyet, kısa kablo mesafesi |
| CoaXPress | JIIA (Japonya Endüstriyel Görüntüleme Derneği) | Koaksiyel kablo üzerinden yüksek bant genişliği ve güç; CXP-12 hızında bağlantı başına 12,5 Gbps |
| Camera Link | A3 | Frame grabber ile çalışır, deterministik; kablo 10 m civarı ile sınırlı |
Not: CoaXPress sık sanıldığı gibi A3 standardı değildir; JIIA tarafından yönetilir. GigE Vision, USB3 Vision ve CoaXPress yazılım tarafında GenICam ortak arayüzünü zorunlu olarak kullanır (Camera Link’te bu destek isteğe bağlıdır), bu yüzden farklı üreticinin kamerası aynı yazılımla konuşabilir. Çoğu proje için GigE Vision veya USB3 Vision yeterlidir; çok yüksek kare hızı ve çözünürlük birlikte gerekiyorsa CoaXPress düşünülür. Ağ tarafında kamera ile PLC aynı sahada çalışacaksa EtherNet/IP nedir yazısı da işinize yarar.
Akıllı kamera mı, PC tabanlı sistem mi?
- Akıllı kamera: Sensör, işlemci ve I/O tek gövdededir. Tek noktalı, sabit görevli kontrollerde (var/yok, kod okuma, basit ölçüm) hızlı devreye alınır, kabin gerektirmez.
- PC tabanlı sistem: Bir endüstriyel PC’ye birden fazla kamera bağlanır. Çok kameralı istasyonlarda, ağır algoritmalarda ve derin öğrenme modellerinde esneklik sağlar.
Kararı genellikle kamera sayısı ve algoritma yükü verir. Kontrol mimarisinin tamamı için: görüntü işleme ile kalite kontrol sistemleri.
Lens seçimi: odak uzaklığı formülü
Edmund Optics’in tahmin formülü şudur:
Odak uzaklığı = Sensör boyutu × Çalışma mesafesi / Görüş alanı
Hesap örneği: Sensör genişliği 8,45 mm, kamera parçaya 300 mm mesafede, istenen yatay FOV 100 mm.
- Odak uzaklığı = 8,45 × 300 / 100 = 25,35 mm
- Standart değer olarak 25 mm lens seçilir.
- Kontrol: 25 mm lensle FOV = 8,45 × 300 / 25 ≈ 101 mm. Uygun.
Bu formül ince lens yaklaşımıdır; geniş açılı lenslerde ve çok kısa mesafelerde sapma büyür. Son seçimi lens üreticisinin hesaplayıcısı veya veri sayfasıyla doğrulayın.
Telesentrik lens ne zaman gerekir?
Normal lenste nesne yaklaştıkça büyür, uzaklaştıkça küçülür (perspektif veya paralaks hatası). Telesentrik lens yalnızca optik eksene paralel ışınları alır, böylece belirli bir aralıkta nesne mesafesi değişse de büyütme sabit kalır. Hassas boyut ölçümünde, yüksekliği değişen parçalarda ve delik içi gibi derinliği olan özelliklerde tercih edilir. Dezavantajı: Görüş alanı lensin ön çapı ile sınırlıdır, lens büyük ve pahalıdır.
Alan derinliği ve diyafram
Alan derinliği (DoF), görüntünün keskin kaldığı mesafe aralığıdır. Diyaframı kısmak (f sayısını büyütmek) alan derinliğini artırır ama sensöre daha az ışık düşer ve çok kısıldığında kırınım keskinliği düşürür. Parça yüksekliği değişiyorsa veya konveyör bant titreşiyorsa alan derinliğini baştan hesaba katın; çözümü çoğu zaman daha güçlü ışık ile daha kapalı diyafram birlikte verir.
Lens bağlantısı: C-mount ve CS-mount
İki bağlantı aynı vida dişine sahiptir; fark flanş mesafesindedir: C-mount 17,526 mm, CS-mount 12,526 mm. C-mount lens, 5 mm ara halka ile CS-mount kameraya takılabilir. Tersi çalışmaz: CS-mount lens C-mount kamerada odak yapamaz. Endüstriyel kameraların büyük kısmı C-mount’tur; büyük sensörlerde F-mount veya M42 gibi farklı bağlantılar görülür.
Sıkça Sorulan Sorular
Endüstriyel kamera çözünürlüğü nasıl hesaplanır?
Görüş alanını en küçük özelliğe bölün ve özellik başına istediğiniz piksel sayısıyla çarpın. 100 mm alanda 0,2 mm hata için, hata başına 3 piksel hedefiyle 100 / 0,2 × 3 = 1500 piksel yatay çözünürlük gerekir.
Makine görme için lens odak uzaklığı nasıl seçilir?
Odak uzaklığı yaklaşık olarak sensör boyutu × çalışma mesafesi / görüş alanı formülüyle bulunur. Çıkan değere en yakın standart lens seçilir ve görüş alanı aynı formülle tekrar kontrol edilir.
Global shutter kamera ne işe yarar?
Tüm pikselleri aynı anda pozladığı için hareket eden parçada eğilme ve bozulma oluşmaz. Konveyör üzerindeki parçalarda ve robota bağlı kameralarda tercih edilir.
GigE Vision ile USB3 Vision farkı nedir?
İkisi de A3 standardıdır. GigE Vision standart Ethernet kablosuyla 100 metreye kadar mesafe ve kolay çoklu kamera bağlantısı sunar; USB3 Vision daha basit ve ucuzdur ama kablo mesafesi kısadır.
Telesentrik lens ne zaman kullanılır?
Hassas boyut ölçümünde ve parça yüksekliğinin değiştiği durumlarda kullanılır. Belirli bir aralıkta mesafe değişse de büyütme sabit kaldığı için ölçüm tutarlı olur.
Eskişehir’de görüntü işleme desteği
AveA Otomasyon olarak Eskişehir ve çevre illerdeki tesislerde görüntü işleme istasyonları için kamera, lens ve aydınlatma seçimi, devreye alma ve mevcut sistemlerin iyileştirilmesi konularında destek veriyoruz. Ayrıntılar: endüstriyel görüntü işleme, kalite kontrol ve poka-yoke otomasyonları ve ürün ve üretim izleme raporlama sistemleri. Bize 0533 454 52 32 numarasından ulaşabilirsiniz; mesai dışında da arayabilirsiniz.