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Électronique d'Imagerie 101 : Types de Caméra et Interfaces pour des Applications de Vision Industrielle
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Électronique d'Imagerie 101 : Types de Caméra et Interfaces pour des Applications de Vision Industrielle

Types de Caméra | Caméras à Balayage de Zone ou à Balayage de Ligne | Interfaces Numériques | Alimentation et Logiciel

Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications

applications. Pour les applications de vision industrielle dans les semi-conducteurs, l'électronique, la biotechnologie, l'assemblage, et les industries manufacturières, où l'inspection et l'analyse sont essentielles, utiliser le meilleur système de caméra pour la tâche à accomplir est cruciale pour atteindre la meilleure qualité d'image. Des caméras analogiques et numériques, aux formats de balayage progressif et entrelacé en passant par des interfaces firewire à GigE, la compréhension des paramètres tels que les types de caméra, les interfaces numériques, la puissance, et le logiciel, sont essentiels pour passer du statut de novice à celui d'expert en imagerie.

TYPES DE CAMÉRA ET LEURS AVANTAGES

Caméras Analogiques Comparées aux Caméras Numériques

Sur un plan plus général, les caméras peuvent être divisées en deux types : analogiques et numériques. Les caméras analogiques transmettent un signal électronique à variation continue en temps réel. La fréquence et l'amplitude de ce signal sont ensuite interprétées par un dispositif de sortie analogique, en tant qu'information vidéo. La qualité du signal vidéo analogique et la façon dont elle est interprétée, affectent les images vidéo qui en résultent. En règle générale, les caméras analogiques sont moins coûteuses et moins compliquées que leurs homologues numériques, ce qui les rend rentables et simples pour les applications vidéo les plus courantes. Cependant, la méthode de transmission des données offre à la fois des avantages et des inconvénients et les caméras analogiques comportent des limites supérieures à la fois au niveau de la résolution (nombre de lignes TV) et de la vitesse de défilement. Par exemple, l'un des formats les plus courants de signaux vidéo aux États-Unis, appelé NTSC, est limité à environ 800 lignes TV (généralement 525) et 30 images par seconde. La norme PAL utilise 625 lignes TV et une vitesse de défilement de 25 images par seconde. Les caméras analogiques sont également très sensibles au bruit électronique, qui dépend de facteurs souvent négligés tels que la longueur du câble et le type de connecteur.

Les caméras numériques, qui sont en passe de devenir les plus populaires, transmettent des données binaires (un flux de uns et de zéros) sous la forme d'un signal électronique. Bien que la tension correspondant à l'intensité lumineuse d'un pixel donné soit continue, le processus de conversion analogique-numérique discrétise ceci et attribue une valeur de niveau de gris comprise entre 0 (noir) et 2N-1, où N est le nombre de bits du codage. Un dispositif de sortie convertit ensuite les données binaires en informations vidéo. Deux principales différences uniques entre les caméras numériques et caméras analogiques sont à noter :

  1. Pour les caméras numériques, il n'y a pas de différence dans le signal vidéo numérique à la sortie de la caméra et à l'entrée du périphérique de sortie.
  2. Le signal vidéo ne peut être interprété que d'une seule manière.

Ces différences éliminent les erreurs à la fois dans la transmission du signal et dans l'interprétation d'un dispositif de sortie en raison de l'affichage. Comparativement à leurs homologues analogiques, les caméras numériques offrent généralement une résolution plus élevée, des vitesses de défilement plus élevées, moins de bruit, et plus de fonctionnalités. Malheureusement, ces avantages rendent les caméras numériques plus chères que les analogiques. Par ailleurs, ces caméras dotées de multiples fonctions peuvent s'accompagner d'une configuration plus complexe, même pour les systèmes vidéo qui requièrent seulement des capacités élémentaires. Les caméras numériques sont également limitées par des longueurs de câbles plus courtes dans la plupart des cas. Le Tableau 1 apporte une brève comparaison entre des types de caméras analogiques et numériques.

Tableau 1 : Comparaison Entre les Caméra Analogiques et Numériques
Caméras AnalogiquesCaméras Numériques
La résolution verticale est limitée par la bande passante du signal analogique La résolution verticale n'est pas limitée, elle offre une haute résolution aussi bien en horizontale qu'en verticale
Capteurs de taille standard En l'absence d'une limite de la bande passante, elles offrent un grand nombre de pixels et de capteurs, résultant en une haute résolution
Les ordinateurs et les circuits de capture peuvent être utilisés pour la numérisation, mais ne sont pas nécessaires pour l'affichage L'ordinateur et le circuit de capture (dans certains cas) sont nécessaires pour afficher le signal
L'impression analogique et l'enregistrement sont faciles à incorporer dans le système Le signal peut être compressé de manière à ce que l'utilisateur puisse transmettre à faible bande passante
Le signal est sensible au bruit et aux interférences ce qui provoque une perte de la qualité Le signal de sortie est numérique ; une faible perte de signal se produit pendant le traitement du signal
Vitesses de défilement limitées Vitesses de défilement élevées et obturateurs rapides

Caméras à Balayage Interlacé comparées aux Caméras à Balayage Progressif

Les caméras peuvent être divisées en des formats entrelacé et progressif, en un balayage de zone et un balayage de ligne. Pour les comparer facilement, il est préférable de les regrouper en entrelacé contre progressif et zone contre ligne. Les caméras CCD conventionnelles utilisent un balayage entrelacé sur le capteur. Le capteur est divisé en deux champs : le champ impair (lignes 1, 3, 5 ..., etc) et le champ pair (lignes 2, 4, 6 ..., etc.) Ces champs sont ensuite intégrés pour produire une image complète. Avec une vitesse de défilement de 30 images par seconde (fps) par exemple, chaque champ prend 1/60 de seconde pour sa lecture. Dans la plupart des applications, le balayage entrelacé ne provoque aucune difficulté. Cependant, certains problèmes peuvent se survenir dans des applications à haut débit car au moment du balayage du second champ, l'objet s'est déjà déplacé. Cela provoque des images fantômes ou flous (Figures 1a - 1b). Dans la Figure 1a, remarquez comment l'image apparaît déformée avec un capteur à balayage entrelacé.

En revanche, le balayage progressif résout le problème de haut débit en balayant les lignes séquentiellement (lignes 1, 2, 3, 4 ..., etc.). Toutefois, la sortie du balayage progressif n'est pas normalisée, aussi une grande prudence doit être prise lors du choix du matériel. Certaines caméras à balayage progressif offrent un signal de sortie analogique, mais peu d'écrans sont capables d'afficher l'image. C'est pour cela que des circuits de capture sont recommandés pour numériser l'image analogique à afficher.

Ghosting and Blurring of TECHSPEC® Man's High-Speed Movement Using an Interlaced Scanning Sensor
Figure 1a: L'image Fantôme et Floue d'un Employé TECHSPEC® à Grande Rapidité de Mouvement Utilisant un Capteur à Balayage Entrelacé
TECHSPEC® Man's High-Speed Movement Using a Progressive Scanning Sensor
Figure 1b: Employé TECHSPEC® à Grande Rapidité de Mouvement Utilisant un Capteur à Balayage Progressif

Caméras à Balayage de Zone ou à Balayage de Ligne

D'une par, l'objectif d'imagerie d'une caméra matricielle focalise un objet à imager sur l'assemblée de capteurs, et l'image est échantillonnée au niveau du pixel pour sa reconstruction (Figure 2). Cette fonction est pratique si l'image ne ​​bouge pas rapidement ou si l'objet n'est pas trop grand. Les caméras numériques compacts ordinaires sont des exemples d'appareils matriciels. D'autre part, avec les caméras linéaires, les pixels sont agencés de façon linéaire, ce qui permet de de balayer de très longues rangées (Figure 2). De longues rangées sont parfaites car la quantité d'informations à lire par exposition diminue considérablement et la vitesse de lecture augmente en raison de l'absence de registres à décalage de colonne ou de multiplexeurs. En d'autres termes, alors que l'objet se déplace devant la caméra, l'image est prise ligne par ligne et reconstruite à l'aide du logiciel.

Illustration of Area Scanning Technique and an Illustration of Line Scanning Technique
Figure 2: Illustration de la Technique de Balayage de Zone (à gauche) et de la Technique de Balayage de Ligne (à droite)
Tableau 2 : Comparaison entre les Caméras à Balayage de Zone (Matricielles) et à Balayage de Lignes (Linéaires)
Caméras MatriciellesCaméras Linéaires
Rapport 4:3 (H:V) (Type) Capteur Linéaire
Capteurs Larges Capteurs Plus Larges
Applications à Haute Vitesse Applications à Haute Vitesse
Durées d'Obturation Rapide Reconstruit l'Image par Lignes
Coût Inférieur à celui du Balayage de Lignes L'Objet est en Mouvement en Passant devant le Capteur
Gamme d'Applications plus Large que pour le Balayage de Lignes Parfait pour Saisir des Objets Larges
Configuration Facile Alignement Spécial et Synchronisation Requise ; Intégration Complexe, mais Éclairage Simple

Caméras à Intégration et Retard Temporel (TDI) Comparées aux Caméra Linéaires Traditionnelles

Avec les caméras linéaires traditionnelles, l'objet se déplace devant le capteur et une image est reproduite ligne par ligne. Étant donné que chaque ligne de l'image reconstruite s'effectue à partir d'une exposition unique et courte de la rangée linéaire, très peu de lumière est collectée. Par conséquent, cela nécessite un éclairage important (pensez à une photocopieuse ou à un scanner). Les caméras linéaires à Intégration et Retard Temporaire (TDI) sont une autre alternative. Dans ces arrangements, plusieurs rangées linéaires sont placées côte à côte. Une fois la première rangée exposé, la charge est transférée à la ligne voisine. Lorsque l'objet effectue la distance de séparation entre les lignes, une seconde exposition est prise au-dessus de la première, et ainsi de suite. Ainsi, chaque ligne de l'objet est imagée à plusieurs reprises, et les expositions sont ajoutées les unes aux autres (figures 3a - 3b). Cela réduit le bruit, et améliore ainsi le signal. Cela démontre également le concept de déclenchement qui permet à l'exposition d'une matrice de pixels d'être synchronisée avec le mouvement de l'objet et le flash de l'éclairage.

Figure 3a: La Première Rangée est Exposée et la Charge est Transférée à la Ligne Voisine

Figure 3b: L'Objet bouge de la Distance de Séparation entre les Lignes et la Seconde Exposition s'ajoute à la Première

Figure 3c: L'Objet continue à bouger de la Séparation entre les Lignes jusqu'à ce que l'Image Entière soit Enregistrée

INTERFACES DES CAMÉRAS NUMÉRIQUES

Les caméras numériques ont gagné en popularité au cours de la dernière décennie, du fait que le bruit de transmission, la distorsion ou d'autres dégradations de signal, ne portent plus atteinte aux informations transmises, vu que le signal de sortie est numérique, et qu'il existe peu d'informations perdues dans le processus de transmission. Alors que de plus en plus d'utilisateurs se tournent vers les caméras numériques, la technologie d'imagerie qui inclut à présent une multitude d'interfaces numériques s'est avérée être en amélioration continue. Le paysage de l'imagerie sera très différent dans la prochaine décennie, mais les interfaces les plus courantes déjà disponibles aujourd'hui, sont les cicrcuits de capture, les Firewire, Camera Link®, GigE, et USB (Tableau 3).

Comme avec la plupart des critères de sélection d'une caméra, il n'existe pas une seule option d'interface qui soit adaptée au besoin requis, mais il est préférable de choisir les dispositifs les plus appropriés pour l'application demandée. Une transmission asynchrone ou déterministe permet la réception du transfert de données, ce qui garantit l'intégrité du signal et place la livraison avant la synchronisation, en raison de la communication bidirectionnelle. Dans une transmission isochrone, les transferts de paquets prévus s'effectuent (par ex. tous les 125μs), ce qui garantit la synchronisation mais ne permet pas de rejeter des paquets à des taux de transfert élevés.

Capture Boards

Circuits de Capture

Le traitement de l'image implique généralement l'utilisation d'ordinateurs. Les circuits de capture permettent aux utilisateurs de restituer des signaux de caméras analogiques sur ordinateur pour les analyser, ou pour un signal analogique (NTSC, YC, PAL, CCIR), le circuit de capture contient un convertisseur analogique-numérique (ADC) permettant de numériser le signal pour le traitement de l'image. D'autres permettent la visualisation en temps réel du signal. Les utilisateurs peuvent alors capturer des images et les enregistrer pour une manipulation et une impression ultérieures. Un logiciel de capture de base est inclus avec les circuits de capture, permettant aux utilisateurs d'enregistrer, ouvrir et visualiser des images. Le terme de circuit de capture se réfère également aux cartes PCI qui sont nécessaires pour acquérir et interpréter des données à partir d'interfaces de caméra numérique, mais ne sont pas basées sur des connecteurs informatiques standard.

FireWire (IEEE 1394/IIDC DCAM Standard)

Le Firewire, alias IEEE 1394, est une interface de caméra isochrone de série qui est populaire en raison de la large disponibilité des ports Firewire sur les ordinateurs. Bien que le Firewire.a soit l'une des interfaces au taux de transfert le plus bas, à la fois le Firewire.a et le Firewire.b permettent de connecter plusieurs caméras et envoient de la puissance à travers le câble Firewire. Le Hot-swap/hot-plugging n'est pas recommandé, car la conception du connecteur peut provoquer un court-circuit de la broche d'alimentation sur les broches de signal, et risque d'endommager le port ou le périphérique.

Camera Link®

Camera Link® est une norme d'interface sérielle à haute vitesse élaborée expressément pour les applications de vision industrielle, et plus particulièrement pour celles qui impliquent une inspection et un contrôle de processus automatisés. L'utilisation d'une carte de capture Camera Link® est requise pour tout fonctionnement et une alimentation doit être utilisée séparément avec la caméra.

Un câble spécial est nécessaire car en plus des lignes de signaux LVDP à basse tension, des canaux de communication en série sont utilisés pour transmettre toute la largeur de bande de transmission. La configuration de base à un seul câble permet un transfert de 255 Mo/s dédié à la vidéo. Deux sorties (configuration complète) permettent de séparer les lignes d'envoi et de réception destinées aux paramétres de la caméra afin de libérer plus d'espace de transfert de données (680 Go/s) dans des applications à extrême haute vitesse.

Camera Link® HS (High Speed) est une extension de l'interface Camera Link® qui permet d'augmenter davantage la vitesse de transmission des données (jusqu'à 2100 MB/s sur 15 m) en utilisant plusieurs câbles. De plus, l'interface Camera Link® HS est consitutée de supports pour les câbles à fibre optique dont la longueur peut atteindre environ 300 m.

GigE (GigE Vision Standard)

Le GigE est basé sur le protocole Gigabit Ethernet IP et utilise des câbles Cat-5 et Cat-6 standard pour une interface asynchrone de caméra à haute vitesse. Le matériel Ethernet standard tel que des commutateurs, des hubs et des répéteurs, peuvent être utilisés pour plusieurs caméras, même si la bande passante globale doit être prise en compte chaque fois que des connexions non peer-to-peer (caméra directe à la carte) sont utilisées. En imagerie GigE, les registres de commande de la caméra se basent sur la norme EMVA GenICam. En option sur certaines caméras, le Link Aggregation (GAL, IEEE 802.3ad) utilise plusieurs ports ethernet en parallèle, pour augmenter les taux de transfert de données et la multidiffusion, en vue de répartir la charge du processeur. Supporté par de nombreuses caméras, le protocole Precision Time Protocol (PTP) peut être utilisé pour synchroniser les horloges de plusieurs caméras connectées au même réseau permettant une relation entre des expositions associées malgré des délais fixes. Les appareils sont remplaçables à chaud.

USB (Universal Serial Bus)

USB 2.0 est une interface populaire en raison de son omniprésence dans les ordinateurs. Elle ne possède pas un haut débit mais est pratique et sa vitesse maximale atteignable dépend du nombre de périphériques USB, car le taux de transfert total du bus est fixe et s'élève à 480 Mb/s. Des câbles sont facilement trouvables dans n'importe quel magasin informatique. Dans certains cas, comme avec les ordinateurs portables, il peut être nécessaire de mettre la caméra sous tension séparément.

USB 3.0 offre les avantages plug-and-play de l'USB 2.0 pour pouvoir s'adapter à tout type d'ordinateur tout en proposant un taux de transmission des données encore plus rapide.

CoaXPress

CoaXPress est une interface sérielle en fibre optique unique à large bande passante qui peut transmettre jusqu'à 6,25 Gb/s sur un câble de plus de 100 m. Une combinaison de câbles peut être utilisée pour atteindre des vitesses de plus de 25 Gb/s. Tout comme le PoE (Power over Ethernet), l'alimentation s'effectue par câble coaxial, mais une carte d'acquisition d'image CoaX est nécessaire.

Tableau 3 : Comparaison entre les Interfaces de Caméras Numériques les plus Populaires
InterfacesFireWire 1394.bCamera Link®USB 2.0USB 3.0GigE
 FireWire 1394.bCamera Link®USB 2.0USB 3.0GigE
400 Mb/s 800 Mb/s 3,6 Gb/s (en configuration complète) 480 Mb/s 5Gb/s 1000 Mb/s
4,5 m 100 m (avec câble GOF) 10 m 5 m 3m (recommended) 100 m
jusqu'à 63 jusqu'à 63 1 jusqu'à 127 up to 127 illimité
6pin-6pin 9pin-9pin 26pin USB USB RJ45/CAT5
En Option En Option Requis En Option En Option Non Requis
En Option En Option Requis En Option En Option Requis
Powering the Camera

ALIMENTATION DE LA CAMÉRA

De nombreuses interfaces de caméras permettent de mettre la caméra sous tension à distance via le câble du signal. Lorsque ce n'est pas le cas, l'alimentation s'effectue généralement soit par le biais d'un connecteur Hirose, qui transmet les signaux de déclenchement et permet les signaux entrée/sortie, ou une connexion de type adaptateur AC/DC standard. Même lorsque la caméra peut être alimentée par une carte ou un port, l'utilisation d'une connexion d'alimentation optionnelle peut s'avérer avantageuse. Les applications typiques d'une alimentation supplémentaire est la connexion en série de caméras Firewire sont typiquement utilisées en série ou la mise en marche d'une caméra sur un ordinateur portable. Par ailleurs, les caméras possédant de larges capteurs à haute vitesse ainsi que des FPGA intégrés, nécessitent plus de puissance que celle pouvant provenir du câble de signal.

Power over Ethernet (PoE)

Il existe actuellement des injecteurs de puissance qui permettent, avec des caméras particulières, d'alimenter la caméra via le câble GigE. Cela peut s'avérer important lorsque des restrictions d'espace ne permettent pas à la caméra d'avoir sa propre alimentation, comme dans les installations d'usine ou les applications en plein air. Dans ce cas, l'injecteur est ajouté quelque part le long de la ligne de câble avec des câbles standards allant jusqu'à la caméra et l'ordinateur. Cependant, toutes les caméras GigE ne sont pas compatibles PoE . Comme avec d'autres interfaces, si un rendement maximal est requis, l'alimentation doit être fournie séparément du câble de signal. Avec le PoE, la tension d'alimentation est basée sur une norme qui utilise une tension plus élevée que ce que les caméras standard peuvent fournir. Ceci implique non seulement d'utiliser plus d'électronique mais provoque également une plus grande dissipation de puissance qu'il faudra compenser en employant un système de refroidissement thermique, de manière à éviter une augmentation du bruit thermique et donc une perte de la qualité d'image.

Signal de Sortie CCD Analogique

Il existe quelques formats différents pour les signaux vidéo analogiques. Le format définit la vitesse de défilement, le nombre de lignes d'affichage, le temps d'affichage et à la suppression, la synchronisation, la largeur de bande, et les particularités du signal. Aux États-Unis, l'Electronic Industries Association (EIA) définit le signal monochrome comme un signal RS-170. La version couleur est définie quant à elle comme un signal RS-170A, plus communément connu sous le nom de National Television Standards Committee (NTSC). RS-170 et NTSC sont tous deux des signaux composites, c'est à dire que toutes les informations sur la couleur et l'intensité sont combinées en un seul signal. Il existe certaines composantes de signaux (YC et RGB), qui séparent la chrominance (couleur) de la luminance (intensité de la couleur). Le CCIR est la norme européenne monochrome et PAL et SECAM sont les normes européennes couleurs. Remarque : Les formats de caméra et d'affichage doivent être les mêmes pour obtenir une image correcte.

Ordinateurs Portables et Caméras

Bien que de nombreuses interfaces de caméras numériques soient accessibles aux ordinateurs portables, il est fortement recommandé d'éviter les ordinateurs portables standard pour des applications d'imagerie de haute qualité et/ou à haute vitesse. Les bus de données d'un ordinateur portable ne supportent souvent pas des vitesses de transfert maximales et les ressources ne sont pas disponibles pour profiter pleinement de caméras et logiciels de haute performance. En particulier, les cartes Ethernet standard de la plupart des ordinateurs portables, fonctionnent à un niveau beaucoup plus faible que les cartes PCIe disponibles pour les ordinateurs de bureau.

Camera Software

Logiciel de Caméra

En général, il existe deux choix possibles de logiciels d'imagerie : des kits de développement de logiciel (SDK) spécifiques aux caméras ou des logiciels tiers. Les SDK comprennent des interfaces de programmation avec des bibliothèques de code pour le développement de programmes définis par l'utilisateur, ainsi que des programmes de visualisation d'image et d'acquisition simples qui ne nécessitent pas de codage et proposent des fonctionnalités simples. Avec un logiciel tiers, des normes de caméra (GenICam, DCAM, GigE Vision) sont importantes pour assurer sa fonctionnalité. Les logiciels tiers sont notamment NI LabVIEW™, MATLAB®, OpenCV, etc. Un logiciel tiers est souvent en mesure de faire fonctionner plusieurs caméras et de supporter plusieurs interfaces, mais il revient à l'utilisateur au final, de garantir sa fonctionnalité.

En conclusion, il est imporant de connaître les avantages et inconvénients des différents types de caméras, leurs interfaces et leurs exigences en matière d'alimentation et d'énergie afin de choisir la meilleure combinaison possible pour toute application d'imagerie. Qu'une application nécessite un transfert élevé de données, de grandes longueurs de câbles, et/ou une connexion en série, il existe un type de caméra bien particulier avec lequel vous obtiendrez les meilleurs résultats possibles. Pour en savoir plus sur l'électronique d'imagerie, veuillez consulter notre série 101 sur le système d'électronique d'imagerie complémentaire se rapportant aux capteurs de caméra, à la résolution de caméra, et aux paramètres de caméra.

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