Der EVMA 1288 Standard als Wegweiser zur richtigen Kamera mit der richtigen Bildqualität. Vortragender: Christoph Hoernlen Territory Account Manager

Transkript

1 Der EVMA 1288 Standard als Wegweiser zur richtigen Kamera mit der richtigen Bildqualität Vortragender: Christoph Hoernlen Territory Account Manager

2 Inhalt 1 Einführung in Bildqualität und ihre entscheidende Rolle 2 Erläuterung der Messverfahren zur Bildqualität 3 Der EMVA1288 Standard 4 Point Grey s Evaluierung von Bildsensoren 5 Wie Sie anhand der Daten eine Kamera auswählen (Beispiel)

3 Wollen Sie sich auf Ihr Glück verlassen? Haben Sie die Aufgabe eine Kamera für eine Machine Vision Anwendung auszuwählen? Nummernschilderkennung? Identifikation pharmazeutischer Produkte? Frage: Reicht es aus, bei der Wahl einer Kamera nur ihre Auflösung, Bildrate und Schnittstelle zu betrachten? Antwort: Nur, wenn Sie sich auf Ihr Glück verlassen möchten!

4 Also wählen Sie eine Kamera Sie haben ermittelt, dass eine VGA-Kamera mit einem ¼ CCD-Sensor und 30 fps für Ihre Anwendung ausreichend ist. Sie kaufen eine Point Grey Flea3 GigE-Kamera mit dem ICX618 CCD-Sensor für rund 500. Ihre ersten Tests zeigen, dass die Kamera gut auswertbare Bilder liefert! bei 10ms Belichtung* * Wir haben strikt darauf geachtet, verschiedene Kameras fair miteinander zu vergleichen. Dies umfasst auch den Einsatz des selben Objektivs, mit gleichem Bilckfeld, gleicher Blendenzahl und gleichen Kameraeinstellungen, wie z.b. die Belichtungszeit, Gamma-Werte, etc. Die Bilder wurden für die Anzeige in dieser Präsentation optimiert, jedoch ohne die Basisdaten zu verändern.

5 aber wenn sich Ihr Objekt bewegt, müssen Sie die Belichtungszeit reduzieren. Und schon bekommen Sie nicht mehr ausreichend gute Bilddaten. bei 5ms Belichtung bei 2,5ms Belichtung

6 Ist eine andere Kamera ggf. besser? Könnte es helfen, auf einen größeren VGA-Sensor zu setzen, vielleicht einen ½ CCD? Die Blackfly mit dem ICX414 CCD-Sensor kostet z.b. ebenfalls ca. 500 Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Bildqulität beider Kameras untersuchen. Wir setzen dafür den EMVA1288 Standard ein, der definiert, welche Leistungsdaten einer Kamera wie zu messen sind, und wie die Ergebnisse darzustellen sind. Die gesamte Standard-Definition erhalten Sie hier:

7 Die grundsätzliche Pixel-Architektur LICHT Photonen pro μm 2 Schrotrauschen = Quanten- Effizienz (%) Anzahl der Photonen Zeitliches Dunkelrauschen (e-) Sättigungskapazität (e-) Pixelgröße (μm) BRUNNEN Signal (e-) Gain (e-/adu) = Grauwert (16-bit)

8 Zusammenfassung der Parameter Parameter Quelle Definition Beeinflusst durch Einheit Schrotrauschen Fix Quadratwurzel aus dem Signal Die Physik des Lichts e- Pixelgröße Fix Kantenlänge eines Pixels Sensor-Design µm Quanteneffizienz Primär Anteil der Photonen mit 525nm, die in Elektronen umgewandelt werden Sensor- und Kamera- Design % Zeitliches Dunkelrauschen, Ausleserauschen Primär Sensor-Rauschen im Dunkeln, d.h. ohne Signal Sensor- und Kamera- Design e- Sättigungskapazität (Brunnen-Tiefe) Primär Anzahl freier Elektronen, die ein Pixel aufnehmen kann Sensor- und Kamera- Design e- Signal-zu-Rausch- Verhältnis Abgeleitet Verhältnis von Signalstärke zu Schrot- und Ausleserauschen Keine Angabe db, Bits Dynamikbereich Abgeleitet Verhältnis von Signalstärke zum Ausleserauschen Keine Angabe db, Bits Absolute Empfindlichkeitsschwelle Abgeleitet Anzahl der benötigten Photonen, damit das Signal und das Rauschen gleich stark sind Keine Angabe Ƴ Gain Abgeleitet Parameter zur Umrechnung der Signalstärke in Grauwerte Keine Angabe e-/ Grauwert

9 Hilft ein ½ -Sensor nun also weiter? Pixelgröße 1/4 Kamera (FL3-GE-03S1M-C) 1/2 Kamera (BFLY-PGE-03S3M-C) Sensor EMVA 1288 Ergebnisse: Pixelgröße (µm) Quanteneffizienz (%) Zeitliches Dunkelrauschen (e-) Sättigungskapazität (e-) ICX ,508 ICX ,949 ¼ -CCD besitzt bessere Quanteneffizienz und geringeres Rauschen* ½ -CCD besitzt größere Pixel und eine höhere Sättigungskapazität* Welche eignet sich besser?

10 Signal vs. Leuchtdichte Signal = Leuchtdichte x (Pixelgröße) 2 x Quanteneffizienz Sättigungskapazität Die ½ -Kamera liefert ein stärkeres Signal als die ¼ -Kamera

11 Signal und Rauschen der ¼ -Kamera Zeitliches Dunkelrauschen und Schrot-Rauschen Absolute Empfindlichkeitsschwelle Dieses Diagramm zeigt das Signal und das Rauschen der ¼ -Kamera Rauschen = (Zeitliches Dunkelrauschen) 2 +(Schrotrauschen) 2

12 Signal und Rauschen der ½ -Kamera Dieses Diagramm zeigt das Signal und das Rauschen der ½ -Kamera Das Rauschen beinhaltet das zeitliche Dunkelrauschen und das Schrot-Rauschen

13 Vergleich der beiden Kameras ½ -Kamera erreicht die absolute Empfindlichkeitsschwelle bereits bei geringeren Leuchtdichten Dieses Diagramm zeigt das Signal und das Rauschen beider Kameras. Aufgrund der größeren Empfindlichkeit, liefert die ½ -Kamera bei geringeren Leuchtdichten ein stärkeres Signal.

14 Signal-zu-Rausch-Verhältnis Dieses Diagramm zeigt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei wenig Licht. Beachten Sie, dass das Verhältnis auf einer linearen Skala aufgetragen ist, nicht in db

15 THEORIE Aufgrund der gemessenen Bildqualität, sollte die ½ -Kamera besser sein als die ¼ -Kamera.

16 PRAXIS ¼ CCD ½ CCD bei 10ms Belichtung bei 5ms Belichtung bei 2,5ms Belichtung

17 Point Grey s Evaluierung von Bildsensoren Point Grey veröffentlichte den weltweit umfassendsten Überblick zu den Evaluierungsergebnissen von industriellen Bildsensoren. Die Übersicht bietet die Evaluierungsergebnisse von mehr als 70 verschiedenen Kameras auf Basis des EMVA1288-Standards. Das Dokument beinhaltet Wertangaben und leicht verständliche Vergleichsdiagramme.

18 Übersichtliche Vergleichsdiagramme

19 Darf s noch ein bisschen schneller sein? Was passiert, wenn Sie feststellen, dass Sie in Ihrer Anwendung noch kürzere Belichtungszeiten benötigen (z.b. wenn die Geschwindigkeit eines Förderbandes erhöht wurde)? Sie testen die ICX414-Kamera und stellen fest, dass Sie nicht die notwendige Empfindlichkeit bietet. bei 1ms Belichtung Sie schlagen Ergebnisse der Sensor-Evaluierung nach und sehen, dass keine der VGA- Sensoren besser wäre als der ICX414. Was tun?

20 Wie wäre es mit einem Global Shutter CMOS? Sie entdecken in der Übersicht den neuen Sony Pregius IMX249 CMOS-Sensor mit Global Shutter (gleiche Bildqualität wie der IMX174 bei niedrigerer Bildrate und niedrigerem Preis) Sie erkennen, dass er über eine exzellente Bildqualität verfügt und in Point Grey's Blackfly Kamera ebenfalls nur rund 500 kostet. Obwohl der IMX249 ein 2,3MP-Sensor im 1 -Format ist, können Sie den VGA- Ausschnitt (Region of Interest) mit dem gleichen Objektiv nutzen wie bei der 1/4 - Kamera. Wird diese Kamera also den ½ -ICX414 CCD-Sensor übertreffen? Um diese Frage zu beantworten, wiederholen wir die Übung wie bei der ¼ -Kamera

21 Wir wiederholen die Übung! EMVA 1288 Ergebnisse: Kamera Sensor Pixelgröße (µm) Quanteneffizienz (%) Zeitliches Dunkelrauschen (e-) Sättigungskapazität (e-) BFLY-PGE-03S3M-C ICX ,949 BFLY-PGE-23S6M-C IMX ,691 Der ICX414-CCD-Sensor hat größere Pixel* Der IMX249 hat eine größere QE, weniger Rauschen und höhere Sättigungskapazität* Welche Kamera ist besser?

22 Signal vs. Leuchtdichte Der ICX414 erzeugt ein stärkeres Signal als der IMX249 bei gleichen Lichtverhältnissen. Bedeutet das, dass er auch bei Schwach-Licht besser ist?

23 Signal vs. Rauschen IMX249 Absolute Empfindlichkeitsschwelle ICX414 Absolute Empfindlichkeitsschwelle Der IMX249 erreicht die Absolute Empfindlichkeitsschwelle bei geringerer Leuchtdichte

24 Signal-zu-Rauschverhältnis Der IMX249 hat ein größeres Signal-zu-Rauschverhältnis bei Schwach-Licht. Theoretisch sollte der IMX249 besser sein, als der ICX414.

25 PRAXIS IMX249 ICX414 bei 2,5ms Belichtung bei 1ms Belichtung In der Praxis zeigt der IMX249 bessere Performance!

26 Empfindlichkeit Der ICX414 geht bei 700 Photonen/µm 2 in Sättigung. Der IMX249 erreicht seine Sättigungskapazität bei ca Photonen/µm 2. Der ICX414 wird ein helleres Bild liefern, aber der IMX249 besitzt einen größeren Dynamik-Bereich und bessere Bildqualität bei Schwachlicht

27 Beispiel für High Dynamic Range ICX414 IMX249

28 Folgendes haben wir gelernt Die Bildqualität ist entscheidend bei der Wahl der Kamera. Welche Parameter für Bildqualität gibt es und was bedeuten sie. Wie kann einem der EMVA 1288-Standard und Point Grey s Sensor-Evaluierung bei der Wahl der Kamera unterstützen. Wie bestimmt man, welche Kamera bei Schwachlicht bessere Bilder liefert (Denken Sie daran die Pixelgröße ins Quadrat zu nehmen!) Mithilfe der Parameter zur Bildqualität lässt sich die Auswahl der möglichen Kameras eingrenzen. Dies kann jedoch nicht den finalen Test in der Anwendungsumgebung ersetzen.

29 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!