Vegsec

Kamera przemysłowa

Kamera przemysłowa to specjalistyczne urządzenie elektroniczne, którego specyfikacja techniczna została odpowiednio przystosowana do potrzeb systemów telewizji przemysłowej. Kamera w systemie telewizji przemysłowej jest podstawowym elementem i w dużym stopniu decyduje o skuteczności prowadzonego nadzoru wizyjnego.

Kazda kamera przemyslowa składa się z:

  • Przetwornik obrazu - element odpowiedzialny za przetwarzanie sygnału elektrycznego na obraz
  • Obiektyw - układ optyczny dzięki któremu kamera może "widzieć"
  • Układy elektroniczne - odpowiedzialne za obróbkę sygnału elektrycznego

Technologie produkcji przetworników

Obecnie przetworniki obrazu na potrzeby kamer przemysłowych wykonywane są w trzech technologiach - CCD (Charged Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) i DSP (Digital Pixel System).

Przetwornik CCD - jego działanie opiera się na zasadzie gromadzenia ładunku w sensorze pod wpływem padającego światła. Odczyt wartości pikseli prowadzony jest wierszami bądź kolumnami.

na fotografii matryca CCD

Przetwornik CMOS - technika ta bazuje na produkcji układów scalonych, gdzie każdy piksel matrycy CMOS posiada swój własny wzmacniacz oraz specjalny rejestr odczytu, który w każdej chwili pozwala na odczytanie wartości danego piksela. Technika ta bazuje na produkcji układów scalonych.

na fotografii matryca CMOS

Przetwornik DSP - technika całkowicie cyfrowa, w której analiza obrazu przebiega w sposób odmienny od matryc CCD i CMOS. W przypadku techniki DSP światło padające na matrycę zostaje poddane wielokrotnemu próbkowaniu, co przyczynia się do ustalenia maksymalnego czasu ładowania dla każdego z pikseli. Wszystkie informacje są magazynowane do czasu naładowania pojedynczego piksela, który posiada swój indywidualny czas ekspozycji (piksel traktowany jako niezależna kamera). Atutem matryc DSP jest większy zakres dynamiki, dzięki czemu kamera może rejestrować zdecydowanie większą ilość szczegółów zarówno obrazów jasnych jak i ciemnych. Zapewne w najbliższej przyszłości technologia DSP zastąpi dotychczasowe technologie CMOS i CCD.

Rozmiar przetwornika kamery

Rozmiar przetwornika kamery wyraża się w calach i jest definiowany jako wielkość geometryczna przetwornika. Obecnie w kamerach przemysłowych można spotkać przetworniki o rozmiarze 1", 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" i 1/6". Najczęściej występują w rozmiarze 1/3" i 1/4". Z reguły im większa matryca przetwornika tym lepsza jakość obrazu, ponieważ pozwala na ulokowanie większej liczby pikseli. Rozmiar przetwornika kamery jest niezwykle istotnym parametrem, ponieważ do jego wielkości dostosowuje się obiektyw. Rozmiar przetwornika obrazu wymusza użycie obiektywu takiego samego lub większego. Przykładowo w przetworniku 1/4" możemy zastosować obiekty 1/4" lub większy np. 1/2".

Rozdzielczość kamery

Określa jej zdolność do rozróżniania drobnych szczegółów wytwarzanego obrazu. Podaje się ją w liniach telewizyjnych (TVL) i określa zarówno dla pionu, jak i poziomu. Zdolność rozdzielcza kamery w dużej mierze zależy od ilości pikseli przetwornika, jednak nie jest to zależność jednoznaczna. Niektórzy producenci zamiast rozdzielczości kamery podają tylko ilość pikseli przetwornika. Im większa rozdzielczość, tym większy obraz wytwarza kamera.

Temperatura pracy

Maksymalny zakres temperatur przy których kamera przemysłowa może stabilnie i bezawaryjnie pracować. Temperatura pracy zależy od rodzaju kamery (wewnętrzna, zewnętrzna). Kamery pracujące w środowisku wewnętrznym cechują się mniejszym zakresem zmian temperatur. W kamerach do zastosowań zewnętrznych, w celu zachowania warunków poprawnej pracy stosuje się elementy dodatkowe, takie jak: grzałki, wentylatory, hermetyczne obudowy lub inne techniki chłodzenia i grzania. Najczęściej zakres temperatur pracy dla kamer wewnętrznych wynosi od -10 do +45 stopni Celsjusza, natomiast dla zewnętrznych od -20 do +50 st. C.

Połączenie kamery z monitorem

Może być realizowane przy pomocy przewodu o impedancji 75 Omów na odległościach najczęściej w zakresie od 100 do 600 metrów. Maksymalna odległość połączenia jest w dużej mierze uzależniona od jakości wykonania przewodu. W przypadku odległości przekraczających 600 metrów należy stosować specjalne wzmacniacze sygnałów. Należy również pamiętać, że kamery generujące obraz kolorowy są bardziej wrażliwe na długość przewodu. Początkowe objawy użycia zbyt długiego przewodu kamera-monitor to malejące nasycenie kolorów. Połączenia kamera-monitor wykonywane za pomocą skrętki nie powinny być dłuższe niż 70 metrów. Istnieje możliwość zwiększenia zasięgu nawet do 400 metrów, jednak wymaga to zastosowania dodatkowego elementu w postaci transformatora wideo. Najczęściej stosuje się przewody koncentryczne, gdyż ich odporność na zakłócenia jest znacznie większa niż skrętki.

Automatyka stosowana w kamerach przemysłowych

Obecnie wszystkie kamery przemysłowe standardowo są wyposażane w mniejszą lub większą ilość układów automatyki. Zadaniem większości z nich jest optymalne dostosowanie kamery do panujących warunków, dzięki czemu kamery mogą generować obraz o wysokiej jakości.

Elektroniczna przysłona (EI lub EAI)

Elektroniczna przysłona automatycznie dostosowuje czułość przetwornika do panujących warunków oświetleniowych. Najczęściej stosowana w kamerach przeznaczonych do pracy w stabilnym oświetleniu (dopuszczalne niewielkie zmiany). Główną korzyścią wynikającą z elektronicznej przysłony jest możliwość stosowania nieskomplikowanych układów optycznych o stałej lub ręcznie regulowanej przysłonie.

Automatyczna przysłona (Auto Iris - AI)

Standardowe wyposażenie wszystkich kamer przeznaczonych do pracy przy zmiennym świetle. Automatyczna przysłona pozwala na dobranie stałej ilości światła padającego na przetwornik, niezależnie od warunków oświetleniowych w jakich pracuje kamera. Dzięki automatycznej przysłonie kamera może efektywnie pracować przy bardzo dużych zmianach oświetlenia, czyli w miejscach gdzie zwykła kamera jest bezużyteczna. Każda kamera z układem automatycznej przysłony jest wyposażana w specjalne wyjście sterujące obiektywem Auto Iris. W zależności od sygnału na wyjściu obiektyw Auto Iris zamyka lub otwiera przysłonę, co pozwala na utrzymanie stałej ilości światła padającego na przetwornik.

AES (Atomatic Electronic Shutter)

W przypadku układu automatycznej elektronicznej migawki, czas otwarcia przysłony jest ustalany w zależności od ilości światła, która dociera bezpośrednio do przetwornika. Zmiana otwarcia przysłony następuje w czasach w zakresie od 1,50s do 1/100000s. W bardziej zaawansowanych modelach kamer istnieje możliwość ręcznego ustawienia migawki.

MES (Manual Electronic Shutter)

Ręczna elektroniczna migawka, możliwe ustawienia to: 1/50s, 1/120s, 1/250s, 1/500s, 1/1000s, 1/2000s, 1/5000s, 1/10000s oraz 1/12000s.

AGC (Automatic Gain Control)

Układ automatycznej regulacji wzmocnienia jest przydatny przy ustawianiu czułości kamery. Jego zadaniem jest utrzymanie stałego poziomu sygnału na wejściu, co w efekcie zwiększa stosunek sygnału do szumu. Funkcja AGC pozwala na uzyskanie bardziej wyraźnego obrazu, jednak kosztem jego naturalności. Wyłączona funkcja AGC zapewnia naturalny obraz, ale z większym poziomem szumów.

WB (White Balance)

Funkcja balansu bieli umożliwia korektę obrazu w związku z różnym rodzajem oświetlenia przy którym pracuje kamera. W prostych kamerach realizowana przy pomocy dwóch przełączników: IN (światło sztuczne), OUT (światło naturalne). Modele bardziej zaawansowane wyposażane są w funkcję AWB (Auto White Balance), która automatycznie dostosowuję kamerę do rodzaju oświetlenia.

BLC (Back Light Compensation)

Kompensacja światła tylnego to funkcja, której zadaniem jest poprawa jakości obrazu prześwietlonego. Zazwyczaj włączana automatycznie w momencie gdy większa połowa centralnej części przetwornika obrazu została prześwietlona.

Typy mocowań obiektywów w kamerach

Obecnie w kamerach przemysłowych wyróżniamy dwa podstawowe typy mocowań obiektywów, mianowicie: C oraz CS. Główna różnica między mocowaniem C i CS polega na innej odległości mocowanego obiektywu od powierzchni przetwornika obrazu. Najczęściej ze względu na większą uniwersalność możemy spotkać kamery z mocowaniem obiektywu typu CS. Uniwersalność tego mocowania polega na tym, że możemy je w prosty sposób zmienić na typ C, stosując jedynie dodatkowy pierścień. Przejście z mocowania typu C na CS nie jest możliwe.

przykładowy obiektyw

Dobór kamer przemysłowych

Dobór kamer i obiektywów CCTV do środowiska pracy wymaga uwzględnieniu wielu czynników, takich jak: warunki atmosferyczne, rodzaj obserwowanych obiektów, porę roku czy miejsce instalacji. O tym czy lepiej sprawdzi się kamera monochromatyczna (czarnobiała) czy kolorowa jest uwarunkowane od indywidualnych preferencji użytkownika i miejsca montażu. Kamera kolorowa generuje obraz zawierający dużą liczbę szczegółów, co znacznie ułatwia prowadzenie obserwacji. Wadą kamer kolorowych jest znacznie niższa czułość na oświetlenie niż to ma miejsce w przypadku kamer czarnobiałych. W warunkach dziennych lepiej sprawdzają się kamery kolorowe, zaś w nocy niepodważalnie żądzą kamery czarno-białe.

Według normy EN 50132-7 kryteria doboru kamery powinny brać pod uwagę szereg następujących czynników:

  • Powinny spełniać wymagania użytkowe dla określonych warunków środowiskowych
  • Powinny uwzględniać przepisy bezpieczeństwa użytkowania danego obiektu