Anwendungen wie der Rollendruck, die Getreidekontrolle, die Lebensmittelsortierung und viele andere sind für den Einsatz von Zeilenkameras gut geeignet. Diese Anwendungen erfordern in der Regel einen kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitstransport des Druckmaterials oder der zu prüfenden Objekte.
Aber die Kombination aus zeilenweiser Bildaufnahme und schneller Bewegung macht es sehr schwierig, genügend Licht für eine ausreichend helle Belichtung zu erzeugen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ohne die Bahn zu verlangsamen oder auf eine extrem helle, teure und potenziell schädliche Beleuchtung zurückzugreifen, ist die Verwendung einer Kamerafunktion namens Binning.
Was ist Binning?
In einer Digitalkamera zeichnet jedes Sensorpixel einen Intensitätswert der Szene auf, der auf der Lichtmenge basiert, die es während der "aktiven" Belichtung erhält. Bei einer Zeilenscan-Anwendung, bei der die Bilder zeilenweise erfasst werden, kann diese Belichtungszeit extrem kurz sein. Infolgedessen können die Sensorpixel möglicherweise nur eine geringe Lichtmenge erfassen, was zu einem dunklen Bild mit schwer erkennbaren Details führt.
Beim Binning wird das von zwei benachbarten Pixeln erfasste Licht addiert und dieser kombinierte Pixelwert dann so ausgegeben, als wäre es ein einzelnes Pixel. Bei einem Zeilensensor mit 4096 Pixeln pro Zeile würde das Binning beispielsweise alle zwei Pixel zusammenfassen und eine Zeile mit der Hälfte der Gesamtzahl der Pixel (2048), aber der doppelten Helligkeit ausgeben.
Bei einigen modernen Zeilenkameras, deren Sensor über eine Zwei-Zeilen-Architektur verfügt, kann eine Binning-Option vorgesehen werden, mit der beide Zeilen gleichzeitig belichtet werden können. Dann können Pixel in der horizontalen, vertikalen oder in beiden Richtungen kombiniert werden, was zu einem Output führt, bei dem jedes Pixel einen größeren Bereich auf dem Ziel darstellt, aber viel heller ist - bis zu viermal heller in dem Fall, in dem sowohl die horizontale als auch die vertikale Binning-Option aktiviert sind.
Mit Binning können Sie die effektive Größe Ihrer Pixel somit um das bis zu Vierfache erhöhen, so dass jedes "virtuelle" Pixel während der Belichtungszeit deutlich mehr Licht aufnehmen kann.
Ein trilineares Beispiel
Um besser zu verstehen, wie Binning eingesetzt werden kann, schauen wir uns die Funktionsweise einer Zeilenkamera aus dem JAI-Portfolio an. Als Beispiel dient hier die trilineare 4K-Zeilenkamera (SW-4000TL) von JAI mit einer Auflösung von 4096 Pixeln. Diese Kamera erzeugt ein Bild unter Verwendung von drei Sensorzeilen - jede mit Rot-, Grün- oder Blaufilter - und kombiniert sie digital zu einer einzigen RGB-Ausgabezeile. Da die Filter je nach Wellenlänge einen Teil des Lichts der Szene blockieren, summiert sich die Summe der drei Zeilen auf 100 % der Helligkeit der Szene.
Die Basispixel in jeder Zeile sind quadratisch und haben eine Größe von 7,5 µm x 7,5 µm. Wenn wir diese Kamera auf eine sich schnell bewegende Rolle mit gedrucktem Geld richten, können wir unten sehen, dass unsere Pixel bei ausgeschaltetem Binning und einer Belichtungszeit, die schnell genug eingestellt ist, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden, nicht in der Lage sind, während des Belichtungszeitraums genügend Licht einzufangen, um eine akzeptable Belichtung zu erzeugen. Das Bild ist dunkel, und die Details sind nicht zu erkennen.
Glücklicherweise ist die trilineare Kamera von JAI mit einer Binning-Funktion ausgestattet. Darüber hinaus verfügt der Sensor der Kamera über eine Architektur mit zwei benachbarten Zeilen für jede Farbe, so dass insgesamt sechs Zeilen vorhanden sind. Das bedeutet, dass die Binning-Funktion so konfiguriert werden kann, dass sie ein Binning in horizontaler Richtung (2x1), in vertikaler Richtung (1x2) oder in beiden Richtungen (2x2) ermöglicht.
Wenn wir unseren Test mit aktivierter 2x2-Binning-Funktion wiederholen, können wir unsere effektive Pixelgröße auf 15 µm x 15 µm ändern. Mit dieser größeren Pixelfläche können wir bei gleicher Zeilenrate und gleichen Lichtverhältnissen die vierfache Menge an Licht einfangen, was zu einem hellen, brauchbaren Bild führt. Vorausgesetzt, die reduzierte Auflösung von 2048 Pixeln pro Zeile ist für unser Sichtfeld akzeptabel, löst das Pixel-Binning unser Beleuchtungsproblem, ohne unseren Durchsatz zu beeinträchtigen.
Binning in Prismenzeilenkameras
Bei den prismenbasierten Zeilenkameras von JAI geht dieses Binning noch weiter. Wie alle Prismenkameras haben sie für jede Farbe einen eigenen Sensor. Jeder dieser Sensoren verfügt über insgesamt vier Zeilen - zwei Zeilen mit 7,5 µm x 7,5 µm großen quadratischen Pixeln und zwei weitere Zeilen mit 7,5 µm x 10,5 µm großen rechteckigen Pixeln. Zwischen den einzelnen Zeilen gibt es keine Lücke, so dass die quadratischen oder rechteckigen Pixel sowohl im Ein- als auch im Zweizeilenmodus ausgelesen werden können.
Mit dieser Struktur können Sie 8 verschiedene Pixelgrößen/-formen erstellen, indem Sie horizontales Binning, vertikales Binning oder eine Kombination aus horizontalem und vertikalem Binning verwenden. Das kombinierte horizontale und vertikale Binning kann eine Pixelgröße von 15 um x 15 um oder 15 um x 21 um ergeben, je nachdem, ob quadratische oder rechteckige Pixelzeilen gewählt werden. Dies zählt zu den größten Pixelgrößen, die in der Zeilenkameraindustrie zu finden sind, und ermöglicht eine außergewöhnliche Flexibilität für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Zeilenrate, Empfindlichkeit und Verschlusszeit.
Es sei darauf hingewiesen, dass Binning nicht nur die Helligkeit erhöht, sondern auch zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Dies ist eine komplexere Diskussion, die wir in einem separaten Artikel behandeln werden. Sie können uns auch gerne dazu befragen.
Wenn Sie wissen möchten, wie Sie die Pixel-Binning-Funktion zum Anpassen der Bildhelligkeit nutzen können, sehen Sie sich das folgende Demonstrationsvideo an.
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