دوربین صنعتی چیست؟ در این مقاله قصد داریم شما را با بخش های مختلف و ویژگی های دوربین های دیجیتال و به خصوص دوربین صنعتی آشنا کنیم. همانطور که می دانید دوربین جزء مهم و درگاه ورودی دیتا به یک سیستم بینایی ماشین است.
ورودی یک سیستم پردازش تصویر چیزی نیست جز یک تصویر دیجیتال که با یک دوربین گرفته شده است و پس از استخراج اطلاعات آن تصویر، سیستم بینایی ماشین با استفاده از الگوریتم های هوش مصنوعی و یک شبکه عصبی پیچیده قابلیت دیدن را برای یک ماشین فراهم می آورد.
یک سیستم بینایی کامپیوتر که بر مبنای هوش مصنوعی توسعه پیدا کرده است نیازمند تصاویری با استاندارد های مشخصی است که برای اجرای این استانداردها، لازم است؛ ما با دوربین و اجزا و ویژگی های آن آشنایی کافی داشته باشیم.
در بین درگاه‌های ارتباطی انسان با دنیا، چشم شاید مهم ترین عضو باشد؛ البته نه به خاطر زیبایی، بلکه به خاطر دیتاهای منحصر به فردی که در اختیار ما قرار می‌دهد. دانشمندان معتقدند، 80 درصد اطلاعات ما از دنیا و شکل‌گیری ارتباط ما با آن، از درگاه چشم و قوه بینایی انجام می‌شود. مطالعه و یادگیری، راه رفتن، مشاهده جهان هستی، دیدن مناظر زیبا، تولید ابزارهای صنعتی و…. تنها و تنها مواردی از کاربردهای متعدد قوه بیانی هستند.
چشم یا دوربین #
اینجاست که این سوال مطرح می‌شود که آیا چشم بهترین ابزار برای دیدن و بررسی دنیاست؟
حتما همه پاسخ یکسانی به این سوال خواهند داد: نه!!! شاید اگر پیش از گالیله این سوال پرسیده می‌شد جواب مثبت بود اما در عصر حاضر عدسی‌ها و سیستم‌های تصویربرداری به مراتب قوی‌تر از چشم انسان، ساخته شده‌اند که در بسیاری از زمینه‌ها کمک حال انسانی هستند که در تجهیزات ضعیف، اما در تفکر قوی است. این چشم‌های مصنوعی و دست ساز بشر با کاربری‌های مختلفی طراحی شده‌اند، از تلسکوپ جیمز وب گرفته تا دوربین‌های صنعتی و پزشکی.
ویژگی‌ها و کاربردهای دوربین صنعتی #
پر واضح است که هر دوربین برای هدف منحصر به فردی طراحی و ساخته می‌شود. به عنوان مثال: در پروژه‌های صنعتی، برای بخش هایی که نیاز به سرعت بالای اندازه‌گیری دارند؛ نیازمند دوربین صنعتی با سرعت بالای دیتا گیری خواهید بود. همچنین در بخش هایی که دقت کار اهمیت دارد دوربین صنعتی با رزولوشن بالا مورد نیاز است.
لنز به کار رفته برای هر دوربین نیز وابسته به نوع جسمی و هدف بررسی آن، متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال برای بررسی ابعادی اجسام به لنز تله سنتریک و برای بررسی ظاهر و سلامت جسم به لنز واید نیاز است. در مجموعه مقالات با نام “دوربین صنعتی به جای انسان” قصد داریم در مورد انواع دوربین صنعتی و کاربردهای آن ها در زندگی روزمره مان صحبت کنیم.
در بسیاری از موارد آنقدر استفاده از دوربین‌ها با زندگی عجین شده که دیگر از آن به عنوان یک ابزار ماشینی یاد نمی‌شود. مسلماً اولین قدم در راستای فهم درست ما از دوربین صنعتی، تکمیل اطلاعاتمان در مورد چیدمان و طراحی تخصصی به کار رفته در ساخت آنهاست. در این مجموعه مقالات، المان های موثر در ساخت یک سیستم تصویربرداری را مورد بررسی قرار داده و مفاهیم مرتبط با دوربین صنعتی را با جزییات بررسی خواهیم کرد.
- نوع سنسور (CCD , CMOS)
- رزولوشن (اندازه پیکسل)
- کراپ فاکتور (اندازه سنسور، فاصله کانونی معادل)
- سرعت شاتر (زمان نوردهی)
- سرعت دیتاگیری (فریم بر ثانیه)
- ISO، Gain (بهره) و…..
- رابط کاربری (Interface)
پارامترهای غیر قابل تغییر دوربین صنعتی #
سنسور دوربین صنعتی با اقتدار مهم ترین بخش آن است که بسیاری از (تقریباً همه) ویژگی های دوربین صنعتی بر اساس آن تعریف می شود. این سنسور مجموعه ای از پیکسل های کنار هم است که با کنار هم قرار گرفتن آن ها می توان تصویر جسم را ثبت کرد.
تصویر با استفاده از عدسی روی سنسور می افتد. حالا نوبت سنسور است که این تصویر را ثبت کند. کیفیت تصویر ثبت شده به پارامترهای مختلفی وابسته است اما مهم ترین آنها، نوع سنسور، اندازه سنسور، رزولوشن (تعداد پیکسل های موجود در کل مساحت سنسور) و اندازه هر پیکسل هستند.
نوع سنسور #
همیشه از دو نوع سنسور برای ساخت دوربین ها استفاده می شود.
- CMOS
- CCD
اما تفاوت این دو سنسور در چیست؟؟
سنسور CMOS در هر یک از پیکسل های خود دارای یک مدار جداگانه است پس اطلاعات مربوط به هر پیکسل به صورت جداگانه خوانده و توسط مدار موجود در همان پیکسل به اطلاعات دیجیتال تبدیل می شود. اما در CCD، بار الکتریکی ذخیره شده در تمام پیکسل های موجود بر روی سطح تراشه خوانده شده و سپس به یکباره به مبدل آنالوگ به دیجیتال فرستاده می شوند. به همین خاطر CCD نسبت به CMOS انرژی بیشتری مصرف می کند. امروزه در دوربین های صنعتی و مدار بسته از سنسور CMOS بسیار بیشتر از CCD استفاده می شود.
رزولوشن #
تعداد کل پیکسل ها در یک سنسور به عنوان رزولوشن سیستم تصویربرداری تعریف می شود. هر چه این تعداد افزایش یابد تصویر ثبت شده کیفیت بالاتری خواهد داشت زیرا تصویر با تعداد بیشتری از پیسکل ها پوشش داده می شود در نتیجه جزییات بیشتری قابل ثبت شدن است.
کراپ فاکتور (اندازه سنسور، فاصله کانونی معادل) #
وابسته به اندازه سنسور و لنز مورد استفاده، ابعاد تصویر ثبت شده متفاوت خواهد بود. این پارامتر با نام کراپ فاکتور شناخته شده است. به عنوان مثال: اگر لنز ثابت باشد و ابعاد سنسور(نوع دوربین صنعتی) را تغییر دهیم ابعاد متفاوتی از تصویر را ثبت خواهیم کرد که ما آن را به صورت تصویر زوم شده می بینیم.
در این مثال: ابعاد تصویر بعد از لنز ثابت است؛ اما ابعادی که توسط سنسور ثبت می شود متفاوت خواهد بود. در صورت تغییر لنز، ابعاد تصویر روی سنسور متفاوت خواهد بود. بنابرین باید اطلاعات دقیقی از ابعاد جسم مورد بررسی داشته باشیم. تا بر اساس آن ابعاد سنسور، نوع لنز و فاصله لنز از جسم را مشخص کنیم.
پارامترهای قابل تغییر دوربین صنعتی #
تا کنون در مورد پارامترهای ذاتی دوربین صنعتی صحبت کردیم. که در زمان تصویربرداری قابل تغییر نیستند. اما هر دوربین (وابسته به نوع و محل کاربرد) دارای پارامترهایی قابل تغییر خواهد بود که این پارامترها وابسته به شرایط داده برداری متغیر هستند. البته بازه تغییر آن ها وابسته به مدل دوربین صنعتی است.
در دوربین های موبایل و مدار بسته به خاطر مشخص بودن نوع کاربری، پارامترهای قابل تغییر و بازه آنها محدود است اما در دوربین صنعتی به دلیل مدل های مختلف کاربری که وجود دارند؛ پارامترهای بیشتری قابل تغییر خواهند بود. البته محدوده تغییر نیز بسیار بزرگ تر خواهد بود. این موضوع دست کاربر را برای رسیدن به دیتا قابل قبول باز می گذارد. شاتر (زمان نوردهی)، سرعت دیتاگیری (فریم بر ثانیه)ISO ، Gain (بهره) نمونه هایی از این پارامترها هستند.
شاتر (زمان نوردهی) #
زمان نوردهی یکی از پارامترهای مهم دوربین صنعتی برای دیتا گیری مناسب است. تنظیم این پارامتر وابسته به میزان نور جسم مورد بررسی و المان های دارای اهمیت تصویر است. به عنوان مثال: قصد داریم با استفاده از یک دوربین DSLR از ستاره ها و کهکشان ها از روی سطح زمین تصویر بگیریم در این حالت به دلیل نور کم ستاره ها ناچاریم زمان نوردهی به سنسور را افزایش دهیم تا بتوانیم تصویری با روشنایی و وضوح بیشتر از آنها داشته باشیم. یا در صورتی که بخواهیم حرکات یک جسم متحرک در قالب یک تصویر آورده شود از این ویژگی دوربین استفاده می شود.
سرعت دیتاگیری (فریم بر ثانیه) #
تنظیم این پارامتر در دوربین صنعتی بسیار حائز اهمیت است. سرعت داده گیری با واحد فریم بر ثانیه نمایش داده می شود و بیانگر تعداد فریم های ثبت شده در یک ثانیه است. بدیهی است که هرچه مقدار آن بالاتر باشد دوربین صنعتی ما سرعت بالاتری در دیتاگیری خواهد داشت. خب حالا این مورد کجا دارای اهمیت است؟
زمانی که شما در خط تولید کارخانه از دوربین صنعتی جهت بررسی اجسامی که دارای سرعت بالایی هستند؛ استفاده می کنید؛ لازم است سرعت عکسبرداری با سرعت حرکت اجسام هماهنگ شود؛ تا بتوانید هر جسم را در یک یا چند فریم تصویر داشته باشید.
ISO، Gain (بهره) #
این پارامترها روی شدت تصاویر ثبت شده اثر گذار هستند. تغییرات آنها مانند موارد قبل وابسته به نیازمندی کاربر است. هر چه مقدار آن ها کاهش یابد شدت تصاویر کمتر شده و نویز نیز کمتر می شود اما در صورتی که مقدار آن ها افزایش یابد شدت و نویز تصاویر افزایش می یابد. چرا که این دو پارامتر ISO و Gain شدت همه المان های تصویر را افزایش می دهند در نتیجه شدت نویزها نیز افزایش یافته و باعث کاهش کیفیت تصاویر می شوند. البته باید دید که کدام پارامتر برای کاربر اهمیت دارد شدت بالاتر یا نویز کمتر.
رابط کاربری (Interface) #
وابسته به نوع کاربری دوربین صنعتی، نحوه ارتباط آن با سیستم پردازشی (کامپیوتر) متفاوت است. سه نوع رابط کاربری در حال حاضر برای دوربین صنعتی پرکاربرد هستند.
- USB3
- Gige
- Camera Link
هر کدام از این روش ها دارای مزایا و معایبی هستند که به صورت کامل در سلسله مقالات دوربین صنعتی به جای انسان مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
لنز و کاربردهای آن #
لازمه هر سیستم تصویر برداری وجود المانی اپتیکی جهت تصویرسازی است به این المان لنز یا عدسی گفته می شود. لنزها نیز وابسته به کاربرد و نوع دوربین و سنسور آن متفاوت خواهند بود. بدین معنی که برای هر پروژه منحصر به فرد نیاز به لنز منحصر به فرد است. در بخش لنز ما با
- لنز و انواع آن (واید، تله و ….)
- عمق دید (زاویه دید) و عمق میدان
- فاصله کانونی و فاصله کانونی معادل
آشنا خواهید شد.
کاربردها و الزامات #
همانگونه که گفته شد هر سیستم تصویر ساز (لنز و دوربین) برای هدفی خاص طراحی و ساخته می شود و برای این هدف خاص نیازمند به پاس کردن استانداردها جهانی جهت ورود به بازار است. این استانداردها ضمانت می کنند که دوربین و لنز مشخص برای هدف ما مناسب هستند. پس مهم ترین پارامتری که در این بخش نیاز به علم و آگاهی دارد؛ شرایط محیطی محل نصب سیستم تصویر ساز است.
کاربر با توجه به شناختی که از محیط نصب دارد؛ می تواند استانداردهای موردنیاز برای دوربین صنعتی مورد نیاز را مشخص کرده و بر اساس آن ها اقدام به خرید بهترین و کاربردی ترین دوربین صنعتی مورد نیاز کند. اکنون که با مفاهیم اولیه دوربین و لنز آشنا شدیم نیاز است در بخش کاربردها و الزامات، شناخت کاملی نسبت به
- انواع مختلف دوربین
- دوربین صنعتی ( طراحی و انواع آن)
- استانداردهای جهانی مورد نیاز دوربین برای کاربری های مختلف
پیدا کنیم.
در سلسله مقالات “دوربین صنعتی به جای انسان” توضیحات اولیه مربوط به هر بخش را کامل کرده تا در صورت نیاز به خرید دوربین صنعتی، با چشمی بازتر این فرایند را انجام دهیم. در پست بعدی منتظر “کاربردهای انواع مختلف دوربین صنعتی“ باشید.
منابع #
برای آشنایی بیش تر با ساختار دوربین ها و به خصوص دوربین صنعتی به این وبسایت مراجعه کنید. در زیر لینک مربوط به یک ویدئو مرتبط با ساختار دوربین صنعتی ایجاد شده است.
