Wiki Machine Vision Camera

Begrippenlijst meest gebruikte termen bij machine vision camera's.

De lijst beschrijft de belangrijkste termen die betrekking hebben op machine vision camera's.
 
Bandbreedte
bandbreedte is de hoeveelheid data die gelijktijdig vervoerd kan worden over een bepaalde verbinding gedurende een bepaalde periode. Hoe hoger de bandbreedte van een verbinding, hoe hoger en sneller de data kan worden ontvangen of verzonden. Bandbreedte is gedefinieerd als de hoeveelheid Megabit of Megabyte die per seconde overgedragen kan worden. Typische waardes voor bandbreedte zijn 40 Megabyte/seconde (USB2 connectie), 100 Megabyte/seconde (GigE connectie) en 400 Megabyte/seconde (USB3 connectie).
Bayer filter, Bayer patroon
de Bayer filter mozaïek is een kleurenfilter, reeks gebruikt voor het genereren van RGB (rood, groen en blauw). Elke pixel heeft zijn eigen filter. Samen vormen de verschillende pixels een RGB patroon. Het patroon is vernoemd naar de uitvinder Bryce E. Bayer uit Eastman Kodak. Elke kleurenpixel heeft een RGB waarde, waar de waardes van de omringende pixels gebruikt worden voor het generen van de RGB waarde van één pixel. Het decoderen van het Bayer patroon wordt de-Bayering genoemd.
Beeld Sensor
een beeld sensor of ‘imager’ is een sensor bestaande uit pixels. Elke pixel detecteert licht en converteert deze naar een elektrisch signaal. Alle pixels tesamen vormen een beeld. De meest gebruikte beeld sensoren zijn de CCD-chip en CMOS-chip. Beeld sensoren worden toegepast in een variatie van camera’s, voor zowel video als digitale fotografie.
Beeld Sensor Formaat
voor het aanschaffen van een vision camera is het van belang om het juiste beeld sensor formaat te selecteren. Dit formaat heeft namelijk veel invloed op de kwaliteit van de beelden. Het beeld sensor formaat is uitgedrukt in inches. Let op dat inches niet omgezet kunnen worden in realistische beeld sensor formaten. Dit stamt af van het formaat van oude televisiebuizen. Het beeld sensor formaat is nodig om de lens te calculeren. De meest gebruikte formaten in machine vision zijn: 1/4 inch, 1/3, 1/2 inch, 2/3 inch en 1 inch. Het totale bereik van sensorformaten voor C-mount camera's varieert tussen 1/4 en 1.1 inch.
Beeld Sensor Gevoeligheid
de hoeveelheid licht op de beeld sensor die een camera kan converteren naar elektronen bepaald de beeld sensor gevoeligheid. Dit ligt aan de pixel grootte en de techniek die gebruikt is om de beeld sensor te fabriceren. Traditioneel gezien zijn CCD sensoren meer licht gevoelig dan CMOS sensoren. Hoewel, over de laatste jaren heeft dit een ommekeer gemaakt. De Sony IMX sensoren zijn erg licht gevoelig en hierbij zijn de Sony Pregius beeld sensoren een aanrader, zoals de IMX 265.
Beelden per Seconde
frame rate of beelden per seconde staat voor het aantal beelden (frames) dat per seconde gemaakt kan worden. Deze term is toepasbaar zowel voor film, video camera’s, computer graphics, motion capture systems en vision camera's. Het aantal beelden per seconde wordt ook wel de frame frequentie genoemd en kan uitgedrukt worden in beelden per seconde (fps) of in hertz (hz).
Bewegingsonscherpte
bewegingsonscherpte is het fenomeen dat objecten op een foto of video afbeelding wazig lijken, als een resultaat van de beweging van een object en/of de camera. Bewegingsonscherpte komt vaak voor als er een sluitertijd wordt gebruikt, die te lang is. Om dit te voorkomen dient het geprojecteerde beeld van het object op de beeld sensor niet meer dan een halve pixel te bewegen tijdens de belichtingstijd. Om de maximale belichtingstijd te berekenen hebben we het volgende voorbeeld: Het Field of View is 1000x600mm en de machine vision camera heeft een resolutie van 1000x600 pixels. Dit betekent 1pixel/1mm. Als een object beweegt met 1m/seconde is dat 1000mm/seconde. Bewegingsonscherpte onstaat als het object met meer dan een halve pixel beweegt, dat is 0,5 * 1pixel/1mm=0,5mm. De maximale belichtingstijd is (maximale beweging object = 0,5mm) / (object snelheid = 1000mm) = 0,0005 seconde = 0,5ms. In dit geval is de maximale belichtingstijd die nodig is om de bewegingsonscherpte te elimineren 0,5x1000=500us.
Bit diepte
bit diepte is een meting die gebruikt wordt om het aantal bits aan te duiden die gebruikt worden bij het coderen van de kleur/grijs waarde van een pixel. Hoe groter de bit diepte is, hoe meer waardes gecodeerd kunnen worden. Een monochrome afbeelding heeft in theorie alleen een bit diepte van 1 bit nodig. Echter kan het alleen gebruik maken van de kleuren zwart en wit, geen grijze waardes. Een standaard monochrome beeld daarentegen gebruikt 8 bits en kan hierdoor 256 verschillende tinten hebben. Een kleurenbeeld heeft tussen de 8 en 24 bits nodig, afhankelijk van de kwaliteit van de afbeelding. Met een hogere bit diepte is de afbeelding informatie vaak opgeslagen als RGB (red, green and blue), omdat het niet nodig is om alle verschillende kleuren op te slaan op een aparte lijst.
Bits
een pixel bevat informatie over kleur en helderheid. De hoeveelheid informatie die een pixel bevat verschilt en wordt uitgedrukt in bits. Een 1-bits pixel is het minimum aantal, die maar twee opties heeft: aan en uit. Dit resulteert in een zwart wit afbeelding. Een 8-bit pixel bevat 256 verschillende tinten, een 16-bit pixel 65.336 tinten en een 24-bit pixel 16.7 miljoen tinten.
CCD
een charged-coupled device (CCD) is een chip (beeldsensor) die elektromagnetische radiatie (licht) omzet in een elektrische stroom. De chip bestaat uit rijen van condensatoren verbonden door elektronische schakelaars. Door openen en sluiten wisselen deze schakelaars waardoor ze ladingen transporteren van de een naar de andere kant. De CCD chip bevindt zich achter de lens van een machine vision camera. Waarbij het binnenkomende licht wordt getransformeerd in een elektrisch signaal. Daarna wordt het signaal geconverteerd door een andere chip in een digitaal signaal wat alleen bestaat uit eenen en nullen. Deze data kan een computer begrijpen. CCD sensoren zijn een van de meest gebruikte sensoren in machine vision camera’s. Echter worden CCD sensoren tegenwoordig vervangen door CMOS sensoren.
CMOS
complementaire metaaloxide halfgeleiders (CMOS) is een halfgeleider techniek die metal oxide effect transistors gebruikt met zowel een n-als een p-geleiding. Door deze ingewikkelde manier van schakelen zijn stroombanen of met de positieve of met de negatieve voedings spanning verbonden, terwijl de tegenovergestelde transistor geen spanning geleid. De schakeling verbruikt amper stroom. Door zijn lage stroomgebruik wordt CMOS-technologie vaak gebruikt voor beeld sensoren. Veel van de operaties die naderhand nodig zijn voor CCD kunnen op de chip zelf worden uitgevoerd met CMOS-chips, net als verscherping, geluidsvermindering en interpolatie. Een CCD ontvangt een lading aan het eind van een hele rij met pixels die vervolgens geconverteerd worden in spanning. Met CMOS gebeurt dit met elke pixel afzonderlijk van elkaar. De laatste generatie machine vision camera’s hebben alleen nog maar CMOS sensoren. In dit veld is het de grootste concurrent van CCD.
Dynamisch Bereik
het dynamisch bereik is het ratio van het meest heldere licht tegenover het zwakste licht dat waargenomen kan worden door een camera. De waarde wordt gemeten in dB. Hoe hoger de dB waarde, hoe groter het verschil tussen het sterkste licht en het zwakste licht kan zijn en deste beter de sensor is. Het dynamisch bereik is belangrijk als je een beeld wil vangen van een object met een groot contrast.
Frame Grabber
normaal gezien is een kant van een frame grabber gemonteerd in de PCI bus van een computer en de andere kant is aangesloten aan een machine vision camera. De frame grabber transporteert de data van de machine vision camera naar de CPU van de computer. Nieuwere interfaces zoals GigE, USB2 en USB3 kunnen gebruikt worden zonder frame grabber. Deze interfaces kunnen de standaard netwerk of USB poorten van een computer gebruiken. Terwijl interfaces zoals Camera Link en  Coaxpress nog steeds een frame grabber nodig heeft, wat deze interfaces dan ook een stuk duurder maakt.
Gamma Correctie
gamma correctie is een niet-lineaire operatie om de licht intensiteit, verlichting of helderheid van een bewegend beeld te corrigeren. De hoeveelheid gamma correctie verandert niet alleen de helderheid, maar ook de RGB ratio. Gamma is het evenredig contrast tussen helderheid van het beeld en het video signaal.
Global Shutter
wanneer u gebruikt maakt van een camera met global shutter mode, wordt elke pixel in de sensor tegelijkertijd blootgesteld aan licht. Dit vereist grote hoeveelheden aan geheugen, omdat het complete beeld opgeslagen kan worden in het geheugen. Nadat de belichting eindigt kan de data geleidelijk gelezen worden. Het fabriceren van global shutter sensoren is een complex proces en is duurder dan het maken van rolling shutter sensor. Het grote voordeel van global shutter sensors is dat ze geschikt zijn voor het nemen van beelden van snel bewegende objecten/producten, zonder vervorming. Global shutter sensoren kunnen ook toegepast worden in een bredere reeks van applicaties.
Interface
in gegevensverwerking of ‘computing’ is een interface een gedeelde connectie tussen twee of meer componenten van een computer systeem gebruikt om componenten uit te wisselen. Het beeld is een wijze van een interface tussen gebruiker en computer. Het converteert digitale informatie van de computer naar een tekstuele of grafische vorm. Voor machine vision camera’s is de interface het type connectie tussen de camera en de PC. Dit kan GigaBit Ethernet, USB2 of USB3 zijn.
Interlaced Scanning
interlaced scanning of interliniëring is de techniek van het vangen bewegende beelden op een scherm met een camera, waarbij de kwaliteit van de afbeelding is verbeterd zonder meer bandbreedte te gebruiken. Met interlaced scanning wordt een afbeelding verdeeld in twee velden. Het ene veld bestaat uit alleen maar even lijnen (scanlijnen), en de ander uit alleen maar afwijkende lijnen. Afwisselend worden beide velden ververst. Door interliniëring is de hoeveelheid afbeelding informatie gehalveerd. Dus wanneer de hele afbeelding in één keer getekend wordt heet dit progressief scannen. Wanneer een afbeelding wordt samengesteld in twee aparte keren wordt het interliniëren genoemd. Twee geïnterlinieerde frames samenstellen kan resulteren in een “cam effect”. Dit is te wijze aan wanneer er een verschil bestaat tussen twee frames van een bewegende afbeelding. Twee frames worden dan samengevoegd die 1/50e van een seconde verschillen. Dit resulteert in twee verschillende momentopnames van dezelfde afbeelding. Een beeld moet hiervoor compenseren wat deïnterliniëren wordt genoemd.
I/O
i/o staat voor input/output. Signalen die binnenkomen worden als input gezien en signalen die verstuurd worden als output. Een vision camera heeft meerdere I/O poorten voor communicatie. Het signaal is hoog of laag. Het output signaal van een vision camera kan bijvoorbeeld gebruikt worden om een lichtbron te activeren, wat een activeringssignaal verstuurd naar een andere vision camera om beide camera’s te synchroniseren of een signaal te versturen naar een PLC. De input poorten worden gebruikt om een camera te triggeren. Bijvoorbeeld om een beeld op te vangen of om de status van een knop te lezen die verbonden is met de input poort.
Machine Vision
machine vision is het vermogen van een computer om te kunnen zien. Machine vision is hierbij vergelijkbaar met computer vision, maar dan toegepast in een industriële of praktische applicatie. Voor een computer om te kunnen zien vereist het een camera of in ons geval een machine vision camera. Deze camera verzameld data door het maken van beelden van een product of proces. De data die verzameld moeten worden, worden van tevoren bepaald aan de hand van de software die is geschreven op de computer, of het vision systeem. De data worden verzonden naar een robot controller of computer na de data collectie fase, deze voert dan een bepaalde functie uit.
Pixel
pixels zijn foto punten waaruit een afbeelding is opgebouwd. De pixel is het kleinst mogelijke element van een afbeelding. Elke pixel kan een willekeurige grijs/kleur waarde hebben. Samengevoegd laten pixels de gewenste afbeelding zien op een beeld. De term pixels is afgeleid van de woorden ‘picture’ en ‘element’ en wordt vaak afgekort als ‘px’. Het aantal pixels dat een beeld heeft wordt de resolutie genoemd. Hoe hoger de resolutie, deste meer pixels, wat ervoor zorgt dat de afbeelding scherper is. Resolutie wordt vaak uitgedrukt in pixels per inch (ppi). De beeld sensor van een machine vision camera bestaat ook uit pixels. Het aantal pixels hangt af van je beeld sensor. Een sensor met een afbeelding van 6000x4000 pixels bevat 24 miljoen pixels. Wat uitgedrukt wordt als 24MP (megapixels). De resolutie van onze camera’s wordt altijd benoemd in de productbeschrijving.
Pixel Binning
bij het gebruik van camera sensoren, is pixel binning een proces van het combineren van een elektronische lading van aangrenzende gedetecteerde pixels tot een super-pixel. Dit wordt gedaan om de signaal-ruisverhouding te verhogen. Normaal gezien gebeurt het binning proces in groepen van vier pixels die vierkant vormen (2x2), maar sommige beeld sensoren kunnen ook een blok van 4x4 (16 pixels) samenvoegen in plaats van 2x2 (4 pixels). Door dit te doen verhoogt de sensor de relatieve gevoeligheid met 4 (signaal-ruisverhouding), maar hierbij wordt ook de spatiale resolutie met 4 verkleint.
Progressieve Scan
progressief scannen is de techniek van het weergeven, opslaan of overbrengen van bewegende beelden waarbij alle lijnen van elke frame in een keer getekend worden. Dit is het tegenovergestelde van interlaced scannen, wat gebruikt maakt van oudere CCD sensoren. Progressief scannen wordt toegepast op alle CCD sensoren die worden gebruikt in onze machine vision camera’s.
Quantum Efficieny
quantum efficiency verwijst naar incident photon to converted electron (IPCE) ratio, van een foto gevoelig apparaat zoals de beeld sensor van een machine vision camera.
Region of Interest
region of interest (ROI) van een machine vision camera is het gebied / deel van de beeld sensor dat uitgelezen wordt. Een vision camera heeft bijvoorbeeld een beeld sensor met een resolutie van 1280x1024 pixels. Er is bijvoorbeeld alleen interesse in het middelste gedeelte van de afbeelding. De ROI kan dan in de camea ingesteld worden op 640x480 pixels. Vervolgens zal alleen dat deel van de beeld sensor licht opvangen en de date doorsturen. Een ROI instellen in de vision camera verhoogt het aantal frames per seconde omdat er maar een deel van de beeld sensor uitgelezen hoeft te worden, wat de hoeveelheid data die doorgestuurd moet worden per gemaakte afbeelding verminderd. Als gevolg kan de camera meer beelden per seconde maken.
Resolutie
resolutie, op het gebied van digitale beeld verwerking, is een term die gebruikt wordt voor het aangeven van het aantal pixels van een afbeelding. Hoe hoger het aantal pixels, hoe hoger de resolutie zal zijn. Resolutie wordt uitgedrukt in de hoeveelheid pixels horizontaal en verticaal of de totale hoeveelheid pixels van een sensor, uitgedrukt in megapixels. Een afbeelding kan bijvoorbeeld een resolutie hebben van 1280x1024 pixels wat dus ook uitgedrukt kan worden als een resolutie van 1,3 megapixel.
Rolling Shutter
een rolling shutter sensor maakt gebruikt van een andere methode dan de global shutter. Namelijk, het belicht verschillende lijnen op andere tijden als ze uitgelezen worden. Elke lijn wordt volledig uitgelezen voordat de andere lijn uitgelezen wordt. Voor een rolling shutter sensor vereist de pixel slechts twee transistors om een elektron te vervoeren, dit reduceert ruis en de hoeveelheid warmte. Relatief tot de global shutter sensor is de structuur van een rolling shutter sensor simpeler en daardoor ook goedkoper. Hoewel, het nadeel van de rolling shutter is dat elke lijn niet tegelijkertijd belicht wordt, dit veroorzaakt vervorming wanneer u beelden van een snel bewegend object probeert te maken.
Schading Correction
schading correction ook bekend als flat field correctie (FFC) wordt gebruikt voor het corrigeren van vignettering van de lens of stofdeeltjes op de beeld sensor. Vignettering is het donker worden van beeld hoeken in vergelijking met het midden van het beeld. Bij het gebruik van schading correction is het vereist dat dezelfde optische setup gebruikt wordt waarmee de originele beelden opgenomen zijn tijdens het kalibreren van de schading correction. Dus met dezelfde lens, diafragma, filter en positionering. De focus die gebruikt werd tijdens het maken van het gekalibreerde beeld moet ook hetzelfde zijn.
Signaal-ruisverhouding
de signaal-ruisverhouding, of Signal to Noise Ratio (SNR), is een meeteenheid die vaak gebruikt in de wetenschap en engineering. Deze meet het level van een gewenst signaal in vergelijking tot het level van achtergrondruis. Hoe hoger deze waarde is, hoe groter het verschil tussen de signaal-ruisverhouding is, wat het mogelijk maakt om zwakke signalen beter op te vangen. Als resultaat, een sensor met een hoge SNR waarde is beter in staat om beelden in lage licht situaties op te vangen.
Sluitertijd
de sluitertijd of belichtingstijd is de hoeveelheid tijd dat er licht valt op de sensor van de camera. Belichtingstijd / sluitertijd zijn erg belangrijke parameters voor het maken van een beeld. De belichtingstijd bepaalt hoeveel licht er op de sensor valt en daarmee het aantal details die zichtbaar zijn op de desbetreffende afbeelding. De afbeelding kan veel details verliezen met te veel of te weinig licht omdat deze details wegvallen in te donkere of te lichte delen van de afbeelding. Daarvoor is belichtingstijd een belangrijk element. De belichtingstijd regelt niet alleen de helderheid van je afbeelding, maar ook hoe scherp of wazig bewegingen in het beeld zijn. Met een korte belichtingstijd kan men snelle bewegingen vastleggen of bevriezen. Met een lange belichtingstijd kan men bewegingen vloeiend laten lijken. Belichtingstijd kan handmatig ingesteld worden op een machine vision camera. Belichtingstijd kan verschillen van 5us tot 1 seconde. Of een lange of korte belichtingstijd vereist is hangt af van het type applicatie.
Vulfactor
de vulfactor van een beeldsensor is de ratio van het lichtgevoelig oppervlakte tot het totale oppervlakte van een pixel. Voor pixels zonder microlenzen is de vulfactor de ratio van het fotodiode oppervlakte tot het totale pixel oppervlakte, maar het gebruik van microlenzen vergroot de effectieve vulfactor, vaak tot bijna 100%. Dit komt door het convergeren van het licht van het hele pixel opervlakte tot de fotodiode. Een oorzaak van een lagere vulfactor van een pixel kan ook zijn door het toevoegen van extra geheugen naast elke pixel, om een global shutter effect te bereiken op een CMOS sensor. Des te hoger de vulfactor des te beter de sensor.