Pomoc techniczna

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.

Każda kamera przemysłowa składa się z trzech podstawowych elementów:

• 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.

Jakość wytwarzanego przez kamery obrazu zależy przede wszystkim od dokładności wykonania przetwornika obrazu i odpowiednio dopasowanego do niego obiektywu. Wbudowane układy elektroniczne umożliwiają jedynie skorygowanie sygnału wizyjnego, dlatego należy traktować je jako uzupełnienie.

Matryce przetworników do kamer przemysłowych wykonuje się w kilku technikach. Niezależnie od rodzaju matrycy w każdym przypadku podstawowym jej elementem jest piksel.

Piksel (punkt) - jest to najmniejszy jednolity element obrazu wyświetlanego na ekranie za pomocą urządzeń przetwarzania obrazu (np. kamera).

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.

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.

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.

Rynek w zakresie przetworników

W praktyce najczęściej spotykamy się jeszcze z przetwornikami wykonanymi w technologii CCD, których głównym atutem jest wysoka czułość na oświetlenie. Kamery przemysłowe z matrycami CMOS nie są jeszcze aż tak popularne, co zapewne jest związane z ich mniejszą czułością na światło. Jeszcze do niedawna istniało ograniczenie co do rozdzielczości obrazu, jednak ten problem został już rozwiązany o czym doskonale świadczą megapikselowe kamery firmy Bosch z przetwornikami CMOS. Główną zaletą technologii produkcji CMOS jest możliwość zachowania niewielkich rozmiarów przetworników, dzięki czemu znajdują one zastosowanie w tzw. dyskretnej obserwacji (stosowane przez jednostki specjalne i agencje detektywistyczne).

Podstawowe parametry kamer przemysłowych

Współczesne kamery przemysłowe posiadają wiele parametrów technicznych, jednak w każdym przypadku mamy do czynienia z grupą podstawowych, czyli: rozmiar przetwornika, rozdzielczość, czułość, stosunek sygnał/szum, temperatura pracy, zasilanie, podłączenie do monitora oraz elementy regulujące.

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.

Ze względu na rozdzielczość, kamery możemy podzielić na cztery podstawowe grupy:

• 240 -380 linii TV – kamery o małej rozdzielczości,
• 420 – 480 linii TV – kamery o standardowej rozdzielczości (najczęściej stosowane),
• Około 600 linii TV – kamery o podwyższonej rozdzielczości,
• Ponad 700 linii telewizyjnych – kamery megapikselowe.

Czułość kamery

Jest to poziom światła padającego na przetwornik, który jest niezbędny do wytworzenia określonego wartości sygnału wizyjnego, przy określonym stosunku sygnału do szumu. Od tego parametru zależy jakość obrazu, który kamera wytwarza w określonych warunkach oświetleniowych. Czułość jest podawana dla określonych warunków, w jakich została zmierzona. Prawidłowy pomiar czułości należy wykonać przy włączonej funkcji automatycznej regulacji wzmocnienia (ang. AGC – Auto Gain Control).

Stosunek sygnał/szum

Stosunek sygnału do szumu to wartość wyrażana w dB (AGC wyłączona), która mówi nam o zdolności kamery przemysłowej do generacji obrazu o określonej jakości. Stosunek sygnał/szum jest pośrednio powiązany z czułością kamery.

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 są 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.

Zasilanie kamer

Jest najczęściej realizowane za pomocą zewnętrznego zasilacza o napięciu 12V. Pobór prądu w przypadku typowych kamer waha się od 100mA do 250mA. W przypadku niektórych kamer można się spotkać z zasilaniem 5V lub wbudowanym zasilaczem sieciowym. Kamery wyposażone w obiektywy Auto Iris pobierają więcej prądu i należy zawsze doliczyć około 40-80mA dodatkowego poboru. Dodatkowo stosuje się również zasilacze kamer o napięciu AC 24V i AC 230V.

Więcej na temat zasilania kamer w artykule : Zasilanie kamer przemysłowych

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.

Elementy regulacyjne w kamerach

Występują najczęściej w kamerach przemysłowych wyższej klasy. Przy ich pomocy użytkownik może optymalnie dostosować kamerę do panujących warunków środowiskowych. Elementy regulacyjne pozwalają na prawidłową reprodukcję obrazów nawet podczas pracy w trudnych warunkach środowiskowych i oświetleniowych.

Automatyka stosowana w kamerach przemysłowych

Obecnie wszystkie kamery przemysłowej 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.

Sterowanie obiektywem z automatyczną przysłoną odbywa się na dwa sposoby:

• VIDEO IRIS – sterowanie sygnałem proporcjonalnym do panujących warunków oświetleniowych. Sterowane przez wzmacniacz silnika obiektywu AI, który odpowiednio otwiera lub zamyka przysłoną. Obiektywy AI ze sterowaniem VIDEO posiadają dwa potencjometry: LEVEL (przeznaczony do ustalania poziomu jasności, który należy utrzymać). ALC (ustalanie szybkości reakcji na zmianę oświetlenia).
• DC IRIS – obiektyw AI jest sterowany za pomocą sygnałów stałoprądowych. W przypadku DC IRIS oba potencjometry znajdują się w kamerze.

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 bielu 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 mocować 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.

Więcej w artykule: Obiektywy do kamer

Normy szczelności kamery

Normy szczelności IPXY definiują odporność obudowy kamery na wpływ czynników zewnętrznych. X – liczba oznaczająca odporność mechaniczną, Y – liczba oznaczająca odporność na wilgoć. Obudowy kamer o dostatecznej odporności na wilgoć i zapylenie oznaczane są normą IP65 lub IP66. Obudowy całkowicie odporne na oba te czynniki posiadają normy szczelności IP67 lub IP68.

Więcej w artykule: Obudowy do kamer

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.

Więcej na temat doboru kamer w artykule: Instalacja i dobór kamer

...wróć do pomocy

Newsletter

• Strona główna
• Kamery IP
• Cenniki
• Archiwum CCTV
• Mapa strony
• Kontakt