Avicon

Wymiana kamer CCD na nowsze kamery CMOS

W 2015 roku Sony ogłosiło zakończenie produkcji matryc CCD. Od tego momentu stało się jasne, że główny nacisk w rozwoju kamer zostanie położony na urządzenia oparte o sensory CMOS, których technologia oraz parametry dorównują konstrukcjom CCD, a nawet je przewyższają w niektórych parametrach. Choć już od jakiegoś czasu integratorzy projektując nowe systemy wizyjne opierali je na kamerach CMOS to przy liniach produkcyjnych na całym świecie wciąż pracuje wiele dotychczas skonstruowanych realizacji, opartych na kamerach CCD. Jeśli zaszłaby potrzeba serwisowania albo dalszych modyfikacji systemu, może okazać się, że dotychczas używana kamera wymaga wymiany. Ponieważ nie zawsze jest możliwość zastosowania identycznych zamienników CMOS dla matryc CCD, proces ten będzie wymagał korekty konfiguracji i ustawień systemu. Jednak odpowiednio dobrany zamiennik może sprawić, że zmiany te będą tak naprawdę kosmetyczne.

Technologie CCD i CMOS

Ogólna zasada działania matryc CCD i CMOS jest identyczna – w obu przypadkach zgromadzony ładunek zamieniany jest na impuls elektryczny. Różnica polega jedynie na sposobie konwersji, a także na dalszej drodze transmisji tego sygnału. W matrycy CCD dane z pikseli odczytywane są całymi rzędami, co oznacza, że nie ma możliwości odczytania wartości tylko pojedynczego piksela. Następnie napięcie te przechodzi przez konwerter A/D, na wyjściu, którego dostajemy dane cyfrowe, zapisywane ostatecznie w pamięci kamery. Po zebraniu informacji o całym rzędzie, do kanału przesuwane są informacje o kolejnej paczce pikseli i tak aż do zebrania danych z całej matrycy. Pojedyncze rzędy w każdym cyklu przechodzą o poziom niżej, aż zostaną odczytane i przekonwertowane na dane o obrazie. Takie rozwiązanie nie daje dostępu do pojedynczych pikseli do momentu odczytania danych z całej matrycy i zapisania jej w pamięci kamery.

Matryce CMOS także gromadzą dane o intensywności światła w postaci ładunku. To czym odróżnia się ta technologia od sensorów CCD to możliwość dostępu do każdego pojedynczego piksela we współrzędnych (x, y). Co więcej, w przeciwieństwie do sensorów CCD, gdzie w całym układzie występował tylko jeden konwerter zgromadzonego ładunku na napięcie, w matrycy CMOS każdy piksel posiada taki element. Droższe i bardziej zaawansowane modele posiadają również dedykowane do pojedynczych pikseli przetworniki analogowo – cyfrowe (DAC). Takie rozwiązanie pozwala np. na zwiększenie prędkości odczytu danych i co za tym idzie, zwiększenia frame rate-u. Z drugiej strony należy pamiętać, że wszystkie te elementy zajmują dodatkowe miejsce na powierzchni matrycy, dlatego też sensory CMOS mają zazwyczaj mniejszą powierzchnię światłoczułą niż matryce CCD. Aby zwiększyć ilość zbieranego światła częstym zabiegiem jest stosowanie tablicy mikrosoczewek. Pozwalają one zogniskować większą ilość światła na powierzchni światłoczułej. Dodatkową zaletą jest też to, że matryce CMOS mają większą pojemność nasycenia i co za tym idzie większy zakres dynamiczny niż matryce CCD.

Dobór odpowiedniego zamiennika

Wybierając nową kamerę należy wziąć pod uwagę kilka kwestii, z których najważniejszą jest rozmiar piksela.

Rozmiar piksela

Znalezienie matrycy CMOS o takim samym rozmiarze piksela jak matrycy CCD będzie trudne, dlatego też zazwyczaj dobiera się matrycę o pikselach delikatnie większych lub mniejszych niż były w sensorze dotychczas stosowanej kamery.

Wybór matrycy o mniejszych pikselach niż poprzednia, wymaga upewnienia się, że dotychczas używany obiektyw ma odpowiednią rozdzielczość, aby uzyskać ostry obraz na tak małych pikselach. Jeśli nasza optyka będzie zbyt niskiej jakości obserwowany obraz będzie rozmyty. W przypadku, gdy nasza nowa matryca będzie miała piksele o rozmiarze większym nie musimy się martwić o zdolność rozdzielczą optyki.

Jeśli w miejsce starej kamery CCD wstawimy kamerę CMOS o innym rozmiarze piksela nasz system będzie wymagał drobnych korekcji optycznych, aby otrzymać obraz o podobnych właściwościach:

1. Nowa matryca o większym rozmiarze piksela

  • Jeśli chcesz używać dotychczasowego obiektywu, będziesz musiał zamontować kamerę bliżej obiektu
  • Jeśli chcesz użyć innego obiektywu z większą ogniskową, będziesz musiał zamontować kamerą dalej od obiektu.

2. Nowa kamera o mniejszym rozmiarze piksela

  • Jeśli chcesz używać dotychczasowego obiektywu, będziesz musiał zamontować kamerę dalej od obiektu
  • Jeśli chcesz użyć innego obiektywu z większą ogniskową, będziesz musiał zamontować kamerą bliżej obiektu.

W jednym i drugim przypadku, można utrzymać dystans roboczy z poprzedniej konfiguracji poprzez zastosowanie obiektywu zmiennoogniskowego, należy przy tym jednak uważać, aby nowy obiektyw cechował się odpowiednią do danego rozmiaru piksela rozdzielczością optyczną.

Rozmiar sensora

Kolejną istotną kwestią jest dobranie odpowiedniego rozmiaru sensora. Wybór matrycy o takim samym lub mniejszym rozmiarze nie będzie wymagał od nas żadnych dodatkowych zmian. W wypadku, gdy nowa matryca będzie miała większy rozmiar musimy upewnić się czy nie jest on większy niż ten do jakiego przystosowany jest obiektyw. Jeśli wystąpiłaby taka sytuacja może pojawić się efekt winietowania (czarne obszary na krawędziach obrazu) ograniczający pole widzenia. Będzie się to wiązało z koniecznością zakupu obiektywu o większym kole obrazowym.

 

Tabela przedstawiająca popularne sensory CCD wraz z proponowanymi zamiennikami CMOS.

Sensor CCD Format Szerokość [px] Wysokość [px] Rozmiar piksela [um] Zamiennik CMOS Format Szerokość [px] Wysokośc [px] Rozmiar piksela [um] Problemy
ICX625 2/3" 2456 2058 3,45 IMX264 2/3" 2448 2048 3,45

Identyczny rozmiar piksela i format ułatwiają konfigurację, ale należy mieć na uwadze, że nowa matryca ma mniejszą rozdzielczość. 

 

IXC445

ICX274

ICX204

ICX267

1/3"

1/1,8"

1/3"

1/2"

1294

1624

1032

1390

964

1234

778

1038

3,75

4,4

4,65

4,65

IMX273

IMX265

IMX273

IMX273

1/2,9"

1/1,8"

1/2,9"

1/2,9"

1440

2048

1440

1440

1080

1536

1080

1080

3,45

3,45

3,45

3,45

Mniejszy rozmiar piksela nowej matrycy spowoduje potrzebę korekcji dystansu roboczego; może być również konieczna wymiana obiektywu na inny o odpowiedniej rozdzielczości; ewentualna korekcja systemu względem innej rozdzielczości matrycy.

 

ICX618 1/4" 640 480 5,6 ICX618 (zamiennik Baslera) 1/4" 659 494 5,6

Zamiennik sensora ICX618 oferowany przez firmę Basler w kamerze z serii ace to konstrukcja stworzona specjalnie na celu umożliwienia bezproblemowej przesiadki na nowszą technologię użytkownikom jednego z najpopularniejszych sensorów CCD. 

 

ICX285 2/3" 1390 1038 6,45 IMX174 1/1,2" 1920 1200 5,86 Mniejszy rozmiar piksela nowej matrycy spowoduje potrzebę korekcji dystansu roboczego; może być również konieczna wymiana obiektywu na inny o odpowiedniej rozdzielczości i większym kole obrazowym; ewentualna korekcja systemu względem innej rozdzielczości matrycy.
IXC409 1/3" 748 576 6,5 IMX287 1/2,9" 720 540 6,9

Większy rozmiar piksela nowej matrycy spowoduje potrzebę korekcji dystansu roboczego; ewentualna korekcja systemu względem innej rozdzielczości matrycy.

 

ICX424

ICX415

ICX414

1/3"

1/2"

1/2"

658

780

658

492

580

492

7,4

8,3

9,9

IMX287

IMX287

IMX287

1/2,9"

1/2,9"

1/2,9"

720

720

720

540

540

540

 

Mniejszy rozmiar piksela nowej matrycy spowoduje potrzebę korekcji dystansu roboczego; może być również konieczna wymiana obiektywu na inny o odpowiedniej rozdzielczości; ewentualna korekcja systemu względem innej rozdzielczości matrycy.

 

Interfejs

Żadnych zabiegów nie muszą podejmować użytkownicy kamer CCD z interfejsem USB 3.0, jak również z interfejsem Gigabit Ethernet, także tych działających w konfiguracji PoE. Obie technologie są cały czas wspierane w nowych urządzeniach. Inaczej ma się kwestia w wypadku interfejsu FireWire. Technologia ta staje się już historią. Co więcej, Basler nie ma więcej w swojej ofercie urządzeń CMOS z tym interfejsem. Taki stan rzeczy powoduje, że przy wymianie kamer CCD FireWire na nowsze należy także dokonać wyboru nowego interfejsu. Najlepszą opcją w tym przypadku będzie USB 3.0. Nowy interfejs USB 3.0 i standard USB3 Vision uważany jest za idealnego następcę, ponieważ oferuje podobne funkcje jak FireWire, jest odstępny w przystępnej cenie, a także jest implementacją popularnej i dojrzałej technologii, która będzie wspierana jeszcze przez wiele lat.

Obudowa

Jeśli nasza nowa kamera ma obudowę o innym rozmiarze musimy przeanalizować, czy mamy możliwość dostosowania do niej naszego systemu. Jeśli korzystałeś wcześniej z kamer CCD Basler ace i chciałbyś się przesiąść na nowszą technologię nie musisz niczego zmieniać. Nowsze odpowiedniki kamer CCD mają identyczną obudowę w kształcie kostki o boku 29 x 29 mm. Jeśli Twoja aplikacja opierała się na kamerach Basler scout lub pilot, musisz pamiętać, że nowe urządzenie będzie miało inne rozmiary.

Wybór odpowiedniego obiektywu

Migracja na nowe kamery z sensorami CMOS może wymagać zmiany obiektywu. Aby mieć pewność, że nowa optyka będzie cechować się odpowiednią rozdzielczością, należy sprawdzić, czy gwarantuje ona odpowiednią ilość par linii na milimetr. Przykładowo: Matryca IMX273 o rozmiarz piksela 3,45 um wymaga obiektywu o rozdzielczości około 150 LP/mm Matryca IMX28, przez to, że ma piksele o boku dwukrotnie dłuższym – 6,90 um – będzie dawała ostry obraz z obiektywem o niższej rozdzielczości, około 75 LP/mm. Pamiętaj, by przed wyborem sprawdzić w specyfikacji rozdzielczość obiektywu.

Przykład wymiany

Na koniec przeanalizujmy proces wymiany konkretnej kamery. System użytkownika wyposażony jest w urządzenie z serii Basler Scout scA640-70gm z sensorem ICX424, która współpracuje z obiektywem Basler lens C125 o ogniskowej 16 mm. Optymalnym zamiennikiem będzie kamera acA720-29gm, wyposażona w sensor IMX287.

Porównanie specyfikacji:

Model scA640-70gm scA720-290gm
Sensor ICX424 IMX287
Rodzaj sensora CCD CMOS
Migawka Globla Shutter Global Shutter
Rozmiar piksela 7,4 um x 7,4 um 6,9 um x 6,9 um
Rozdzielczość 659 px x 494 px 720 px x 540 px
Rozmiar sensora 1/3" 1/2,9"
Frame Rate 70 fps 291 fps
Mono/Kolor Mono Mono
Interfejs GigE GigE
Zasilanie 12-24 VDC PoE lub 12-24 VDC
Pobór mocy 3W 2,9W
Obudowa

73,7 mm x 44 mm x 29 mm

42mm x 29 mm x 29 mm

  1. Odległość robocza i dobór obiektywu
  • Ponieważ nowa kamera ma matrycę z mniejszymi pikselami, aby otrzymać podobne rezultaty jak dotychczas konieczne będzie dosunięcie kamery do obiektu.
  • Jeśli nie ma możliwości dosunięcia kamery, można zastosować obiektyw o większej ogniskowej, jak np. Basler lens C125 25 mm, wtedy będziemy musieli odsunąć kamerę od obiektu
  • Jeśli zależy nam zachowaniu tego samego dystansu roboczego, konieczne będzie zastosowanie obiektywu zmiennoogniskowego.
  1. Problem winietowania i rozdzielczości optycznej
  • Nowa kamera posiada nieznacznie większą matrycę (1/2.9” w porównaniu do 1/3”), więc prawdopodobnie nie zajdzie zjawisko winietowania.
  • Matryca IMX287 posiada piksele o mniejszym rozmiarze, ale nadal są to względnie duże piksele, tak więc dotychczasowy obiektyw bez problemu powinien zagwarantować odpowiednią rozdzielczość optyczną, aby uzyskać ostry obraz.
  1. Rozdzielczość obrazu
  • Kamera z serii ace U daje obraz o niewiele większej rozdzielczości. Jeśli będzie to stanowić problem, nowe urządzenie posiada opcję wyboru AOI (Area of Interest). Wystarczy odpowiednio określić i wycentrować obszar.
  1. Interfejs
  • Obie kamery są wyposażone w interfejs Gigabit Ethernet, tak więc nie musimy martwić się o kompatybilność. Warte jest jednak zaznaczenia, iż kamera scA640-70gm posiada 12-pinowe złącze I/O, natomiast acA720-290gm 6-pinowe. Jeśli w systemie było wykorzystywane to złącze, zajdzie potrzeba wymiany końcówki kabla. Inną możliwością jest przejście w całości na złącze GigE za pomocą konfiguracji PoE.
  1. Obudowa
  • Dotychczas używana kamera jest znacznie większa niż jej zamiennik CMOS, tak więc nowa kamera bez problemu zmieści się w miejsce starszej. Należy jednak przeanalizować czy dotychczas używany sposób montażu sprawdzi się także w nowej kamerze.
  1. Frame rate (opcjonalnie)
  • Kamera CMOS umożliwia akwizycję obrazu z 4-ktotnie większą prędkością, dzięki czemu będziesz mógł zwiększyć wydajność systemu. Z powodu większej czułości może również zajść potrzeba ograniczenia nico oświetlenia.

Wymiana kamery CCD na CMOS? To proste!

Mimo iż matryce CCD nie posiadają swoich wiernych kopii wśród sensorów CMOS, to wymiana starszych kamer na nowsze, przy odpowiednio dobranym zamienniku, nie będzie się wiązać z dodatkowymi kosztami ani skomplikowanymi korekcjami ustawień systemu. Choć przy zakupie nowej kamery należy przeanalizować kilka aspektów takich jak np. wielkość piksela czy rozmiar matrycy, to mamy nadzieję, że z tym tekstem proces ten nie będzie już wyglądał na skomplikowany. Nie jesteś pewny które urządzenie będzie najlepsze do Twojego systemu? Zgłoś się do nas! Firma AVICON udziela wsparcia zakresie doboru nowych kamer. W naszej ofercie, w skład której wchodzi m.in. kompletny przegląd produktów marki Basler, bez problemu znajdziemy urządzenie na miarę Twoich oczekiwań.