Visietechnologie Deel 3: De camera CCD vs CMOS Analoog vs digitaal Kleurencamera’s Nieuwe technologien
Johan Baeten
3.1
Werelwijde Cameramarkt in 2002 Total Market 630 Mio. € Smart Camera 11%
Digital Line Scan 10%
Digital Area Scan low+medium end 31% Analog Area Scan 41%
Johan Baeten
Digital Area Scan high speed 7%
3.2
•1
Parameters voor camerakeuze Analoog Digitaal
Budget Interface
Bandbreedte CMOS vs. CCD
? Beeldverwerking Kleurmodel Lens
Belichting Resolutie
Johan Baeten
3.3
CCD – principe - 1 • CCD: Charge Coupled Device (= uitleesprincipe)
(Bron: Burr – Brown)
• Druppel = Photon • Bakje = Pixel
Johan Baeten
• Transportband = CCD shift registers • Meetbakje = Ladingsvoorversterker
3.4
•2
CCD – principe –2 (interlijn) Pixels
Verticale schuifregisters
......
Horizontaal schuifregister
Johan Baeten
Uitleeselektronica
ADC
3.5
Werkingsprincipe CCD – phase clocking
Johan Baeten
3.6
•3
CCD – architectuur
Johan Baeten
3.7
Nadeel van interlijn-overdracht / -beeld • ‘Interlacing’ bij snel bewegende camera of object
Johan Baeten
3.8
•4
Typische afmetingen voor CCD-chips • Verhouding 4:3 (Horizontaal : Verticaal)
Johan Baeten
3.9
Rijselectie
CMOS principe: MOS ‘photodiode array’
pixel
• • • •
Standaard CMOS Lage spanning Laag vermogen AOI (ROI)
Uitleeselektronica
ADC
Kolomselectie
Johan Baeten
3.10
•5
CCD vs. CMOS CMOS zal in de toekomst de CCD kwaliteit evenaren, CCD qualiteit/gevoeligheid lijkt te verzadigen, maar CCD is nog steeds beter CMOS is veel sneller dan CCD; > 1gpixel/s snelle ‘AOI’ door directe pixeladressering, bv. bij object tracking productie van grote volumes is voor CMOS goedkoper, toekomstgericht CMOS: geen ‘blooming’, geen ‘smearing’ CMOS: nieuwe markten en mogelijkheden CMOS: laag verbruik, < 1 W Johan Baeten
3.11
Communicatie v/m Camera • Analoog Historisch gegroeid Kleine afmetingen en lage prijs Omschakeling naar digitale ‘firewire’ interface of USB • LVDS (RS 644) (Low Voltage Differential Signaling ) Historisch gegroeid als standaard voor digitale comm. Voordelig wegens lange kabels • Camera Link Toekomstige standaard voor ‘high end’ ‘machine vision’ Parallel
Johan Baeten
3.12
•6
Verbinding – Communicatie – vervolg • IEEE1394a (firewire of iLink) – Overdrachtsnelheid tot 400 Mbit/s, serieel – Momenteel standaard voor ‘mid-range’ ‘machine vision’ • IEEE1394b (sinds juli 2003) – Dataoverdracht tot 800 Mbit/s – 3,2 Gbit/s
4 / 9 / 6 • USB2 : 480 Mbit/s (360 Mbit/s beschikbaar voor beeld) – Snelheid gelijk aan 1394a, maar geen industriële standaard driver • Ethernet – 100 m kabellengte mogelijk – geen standaard tot nu toe ... Johan Baeten
3.13
Verbinding – Communicatie – vervolg • 1394 kabel types
Johan Baeten
3.14
•7
Bandbreedte (1394,) • Bandbreedte van de bus = aantal camera’s x resolutie x ‘frame rate’ x BpP • BpP = Bits per Pixels: bv 8 bit grijs, 24 bit RGB, 12 bit YUV420 Maximaal aantal Camera's (bandbreedte in Mbit/s) 1394a (<256) USB 2.0 (< 360) 1394b (<512) 3 (210) 1 (70) 7 (490) 1 (180) 1 (180) 3 (460) niet mogelijk 1 (330) 1 (330) niet mogelijk niet mogelijk 1 (440)
Configuratie VGA, 30 fps, 8bits XGA, 30 fps, 8bits SVGA, 30fps, 24bits RGB SVGA, 60 fps, 16bits
VGA (640,480) ; SVGA (800,600) ; XGA (1042,768) Johan Baeten
3.15
Analoog Camerasignaal • Analoog beeldsignaal bevat de informatie in de amplitude. Spanning
Video level Black level
Line sync
tijd
Johan Baeten
3.16
•8
Analoge Signalen
Analog
• Storingen beïnvloeden rechtstreeks beeldkwaliteit: – – – –
EMC ‘Cross talk’ ‘Pixel jitter’ Signaalverzwakking (demping) / Reflecties
PC Camera
E MC Kabel analoog
Grabber A
CPU
digitaal
D
Geheugen
analoog
digitaal
Johan Baeten
3.17
Digitale Camerasignalen • Digitale signalen – – – –
zijn ongevoelig voor ruis/storingen bevriezen beeldkwaliteit vereisen een grotere bandbreedte of meer kabelparen. Beperkte kabellengte / hogere kabelprijs IO IO
1394 1394
PC Camera
E MC
A
Grabber
D
Geheugen
Kabel analoog
Johan Baeten
CPU
digitaal
digitaal
3.18
•9
Vergelijking Analoog vs digitaal
Comparison
• Invloed van EMC en kabellengte op het signaal Max. signaal informatie Digitaal
100%
Ana loog
Kabellengte EMI ruisniveau Johan Baeten
3.19
Opdeling naar com. protocol en sensortype CCD
Performantie
High d Spee
Sm ar tC am er a
ne al Li Digit an c S
og al can An a S e Ar
CMOS
Johan Baeten
ea Ar l ta gi Di
Camera Link
an Sc
1394 CMOS
Prijs
3.20
•10
(Kleuren-) Gevoeligheid CMOS/CCD
CMOS & CCD
Johan Baeten
3.21
Opbouw van een Kleurencamera – 3 CCD • 3 CCD -principe
Johan Baeten
3.22
•11
Opbouw van een Kleurencamera – Single CCD • ‘Single chip’ – principe
Hoofdzakelijk groen -- Omrekening naar RGB voor ELKE pixel (bv. Bayer) Johan Baeten
3.23
Nieuwe technologiën • Foveon: X3 sensor gevoelig aan 3 kleuren • Super CCD: gewijzigde layout • CMOS met ‘lens’
Johan Baeten
3.24
•12
Voorbeeld: Sorteerinstallatie • Setup – line scan – combinatie van verschillende bits • Toepassing: bulk, graan, rijst
1
1
0 0
1
... 1 0 0 1 1 ... 1 0 0 1 1 ...
1 1 0 0 1
Digital I/O
Camera Link
nozzles
Johan Baeten
3.25
•13
