מצלמות לעיבוד תמונה: יסודות טכנולוגיים והבנה מערכתית

מצלמות תעשייתיות הן רכיב קריטי בכל מערכת עיבוד תמונה (Machine Vision). מעבר להיותן "העיניים" של המערכת, הן מהוות גם רכיב חישה מרחוק המאפשר לכידת תמונות, אחסונן או העברתן בזמן אמת. ההבנה של מבנה המצלמה, סוגי החיישנים, מאפייני הצילום ופרמטרים מרכזיים – חיונית לכל מהנדס או אינטגרטור בתחום.

המצלמה: מהות ותפקיד

מצלמה היא מערכת אופטית הממקדת אור על גבי משטח רגיש – החיישן – הממיר קרינה אלקטרומגנטית למידע, בין אם באמצעים כימיים (כמו פילם) ובין אם באמצעים אלקטרוניים. מקור ההשראה הראשון למצלמות המודרניות הוא ה־ Camera Obscura – תיבה חשוכה שבה האור נכנס מחור קטן ויוצר תמונה הפוכה על הקיר הנגדי.

טכנולוגיית חיישנים: CCD ו־CMOS

חיישני     CCD

חיישני CCD (Charge-Coupled Device) מבוססים על מערך פוטו-דיודות פסיביות, האוגרות מטען בזמן החשיפה. המטען מועבר לאחר מכן לאלקטרוניקה משותפת, שמעבדת את המידע ומתרגמת אותו לתמונה. היתרונות:

• רגישות גבוהה לאור (יעילות קוונטית גבוהה)
• אחידות פיקסלים מרשימה
• מתאימים לצילום בתנאי תאורה קשים

החסרונות:

• קצב צילום איטי יחסית (פחות מ־20fps)
• עלויות ייצור ותחזוקה גבוהות

חיישני  CMOS

חיישני CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) מבוססים על פיקסלים אקטיביים, כאשר בכל פיקסל קיימת אלקטרוניקה ייעודית להמרת המטען למתח. היתרונות:

• קצב צילום גבוה מאוד (High Frame Rate)
• אפשרות להגדרת אזור עניין (ROI)
• עלות נמוכה וצריכת חשמל יעילה

החסרונות:

• רעש פנימי גבוה יותר (Fixed Pattern Noise)
• אחידות פחותה בין פיקסלים

סוגי סריקה: מטריציונית מול קווית

• מצלמות מטריציוניות (Area Scan): מצלמות דו-ממדיות אשר לוכדות תמונה שלמה בכל חשיפה. מתאימות לאובייקטים סטטיים או תנועתיים באיטיות יחסית.
• מצלמות קוויות (Line Scan): כוללות שורת פיקסלים אחת בלבד. מתאימות לסריקה רציפה של משטחים בתנועה, כגון נייר, טקסטיל או מתכות בגליל.

גודל חיישן ורזולוציה

• גודל חיישן מציין את ממדי שטח הקליטה של האור. לעיתים נמדד באינצ'ים (למשל 1”), אך הגודל האמיתי נמדד במילימטרים (לדוגמה: חיישן 1” הוא בעל אלכסון של כ־16 מ”מ).
• רזולוציה מרחבית היא מספר הפיקסלים הפעילים בחיישן. ככל שמספר הפיקסלים גבוה יותר – כך היכולת לזהות פרטים קטנים משתפרת. עם זאת, פיקסלים קטנים רגישים פחות לאור ועלולים להפיק רעש גבוה יותר.

איזון בין רזולוציה, רגישות ואיכות העדשה הוא קריטי לתפקוד מערכת מיטבי.

תריסים: Rolling Shutter לעומת Global Shutter

• Rolling Shutter: כל שורת פיקסלים נחשפת בזו אחר זו, עם עיכוב קטן בין שורות. מתאים ליישומים איטיים או שאינם רגישים לתנועה.
• Global Shutter: כל הפיקסלים נחשפים בו-זמנית – פתרון אידאלי לצילום אובייקטים בתנועה מהירה, ללא עיוותים.

בחירת החיישן הנכון

בעת תכנון מערכת עיבוד תמונה, יש לקחת בחשבון:

• גודל האובייקט ומידת הפירוט הנדרש
• מרחק העבודה (Working Distance) וזווית הצפייה
• קצב הייצור והצורך בזמן תגובה מהיר
• מגבלות תאורה בסביבה

בחירה נכונה של חיישן וגודל פיקסל תאפשר השגת תוצאות מדויקות תוך שמירה על עלויות ויעילות מערכת.

בין אם מדובר ביישום תעשייתי, רפואי או מחקרי – מצלמה איכותית היא תנאי בסיסי להצלחת מערכת עיבוד תמונה. עם הבנה מעמיקה של הפרמטרים השונים, ניתן להקים מערכות מדויקות, אמינות ואפקטיביות לאורך זמן.