Description des caméras haut-débit

SOMMAIRE
INTRODUCTION
2
I)
3
CARACTERISTIQUE D’UNE CAMERA A HAUTE VITESSE
A)
CAPTEURS CCD ET CMOS :
3
1)
Définition :
3
2)
Capteur CCD (Charged Coupled Device) :
3
3)
Capteur CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) :
4
4)
En conclusion Capteur CMOS ou CCD ?
4
B)
RESOLUTION
4
C)
TAUX OU FREQUENCE D’IMAGE :
5
1)
Définition :
5
2)
Information pour la performance de la caméra :
5
D)
TEMPS D’EXPOSITION
5
E)
ENREGISTREMENT ET RALENTI
6
II)
GAMME DE PRODUITS
6
A)
PRODUIT KEYENCE
6
B)
PRODUIT POLYTEC
7
C)
PRODUITS PHOTONLINES
7
1)
Mikrotron EoSens
7
3)
Phatom V7.3
8
4)
PCO Dimax
8
D)
PRODUIT FASTVISION TECHNOLOGIES
8
E)
TABLEAU RECAPTITULATIF DES DIFFERENTES CAMERAS
8
III)
DOMAINES D’APPLICATIONS DES CAMERAS HAUTES VITESSE
10
A)
APPLICATIONS AUTOMOBILE
10
B)
APPLICATIONS MILITAIRES
10
C)
APPLICATIONS DANS L’INGENIERIE
11
D)
APPLICATIONS INDUSTRIELLES
12
E)
DOMAINE MEDICAL
12
F)
DANS LA RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT
13
IV)
CONCLUSION
14
V)
BIBLIOGRAPHIE
14
Page | 0
1)
Support papier
14
2)
Support internet
14
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Introduction
Au début des années 1970, la Société VIDEO LOGIC produit un système de
vidéo de grande vitesse appelé INSTAR qui pouvait enregistrer 240 cadres par
seconde (fps). Ensuite la société UNILUX à crée un système de 120 cadres par
seconde (fps) qui savait par l’intermédiaire des disques SONY enregistrer une
séquence de capture de 10 secondes de données. Ce système à été antérieurement
supprimé comme SONY a décidé d’arrêter la technologie de disques.
A l’origine elles étaient utilisées pour les applications militaires, automobiles,
aéronautiques et sciences expérimentales. A nos jours elles sont absolument
essentielles dans les applications de recherche et de fabrication. L’industrie
demande une production rapide en conséquence il faut que les appareils suivent la
même cadence.
Camera haute vitesse est un outil de diagnostic qui permet d’analyser des
processus ou de séquence d’image de grande vitesse qui sont enregistrés à de très
hauts taux de cadres et rejouées du début par un ralenti pour permettre à l’œil
humain de mesurer et comprendre des événements.
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I) Caractéristique d’une camera à haute vitesse
Les performances de la caméra haut débit dépend :
 Du capteur (CMOS ou CCD)
 De la résolution
 De la fréquence ou taux d’images
 De l’exposition
 Enregistrement
A) Capteurs CCD et CMOS :
1) Définition :
Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique
observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur
de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait souvent (à tort) la
confusion entre capteur et transducteur : le capteur est au minimum constitué d'un
transducteur.
2) Capteur CCD (Charged Coupled Device) :
Les capteurs CCD ont été introduit dans les
années 1980 dans les caméras à grande vitesse.
Avantage :
 Il permet une meilleure linéarité
 Un meilleur signal/bruit
 Une grande sensibilité
 Une meilleure finesse
Inconvénients :
 Génère plus d'électricité statique, ce qui le rend plus sensible aux poussières.
 L'électronique associée au CCD est plus complexe avec notamment la
nécessité d'utiliser des horloges multiples pour piloter le transfert de charges et
de tensions élevées.
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3) Capteur CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) :
Les capteurs CMOS ont ensuite créé une nouvelle
révolution en 1990.
Avantage :
 Mise au format numérique immédiat
 Moins cher que le CCD
 Meilleurs vitesses d’acquisition
 La consommation électrique est plus faible
 Plus petit
 Moins sensible à la poussière
 Présente une meilleure résistance à l'éblouissement et donc au rendu des
hautes lumières et une dynamique plus étendue
4) En conclusion Capteur CMOS ou CCD ?
Les capteurs CMOS s’imposent sur le CCD par leur vitesse d’acquisition, leur
prix de construction. Malgré que la qualité de l’image est plus faible que le CCD. On
favorise par ailleurs la vitesse d’acquisition à la définition de l’image.
B) Résolution
La résolution détermine le nombre de points par unité de surface, exprimé en
points par pouce. La résolution permet ainsi d'établir le rapport entre le nombre de
pixels d'une image et la taille réelle de sa représentation sur un support physique.
Dans les caméras haute vitesse la résolution varient de 64x16 à 2048x2048
pixels.
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C) Taux ou fréquence d’image :
1) Définition :
Est la fréquence d’un appareil à produire des images consécutives. Il est
souvent exprimé en images/s (ou fps).
2) Information pour la performance de la caméra :
(http://www.optronis.com/)
On détermine le taux d’image par seconde après avoir considéré la vitesse de
l’événement.
Par
exemple
si
un
événement
fait
15
ms
(Millisecondes)
l’enregistrement doit faire 15 images/s cela permettra d’analyser tous les points
significatifs de l’événement. Si La fréquence de l’image est mise trop haute
l’enregistrement sera excessivement grand pour être manipuler et la région de la
couverture sera sacrifier.
D) Temps d’exposition
Temps d’exposition est la quantité physique accumulée d'énergie claire visible
appliquée à une surface pendant un temps d'exposition donné.
Pour avoir une bonne qualité de l’image il faut que le temps d’exposition soit
10x supérieur à la vitesse de l’événement. Un enregistrement de 1000 images par
seconde le temps d’exposition devrait être de 100 microsecondes.
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E) Enregistrement et ralenti
Le but d’une camera vidéo à grande vitesse est d’obtenir un ralenti d’un
événement trop rapide pour l’œil humain et de pouvoir l’analyser. En conséquence il
faut obtenir un playback de cet événement en le rapportant à la fréquence de l’œil
humain.
Pour déterminer le ralenti il faut diviser la fréquence d’enregistrement par la
fréquence de l’œil humain.
Exemple : Un événement de 1000 images par seconde pour le rapporter à 30
images par seconde il faut faire le calcul suivant 1000/30 égale à environ 30s c'est-àdire que 1 seconde réelle durera depuis le ralenti 30 secondes.
Image
Temps
(sec)
Images par
seconde
Ralenti à 30
images par
seconde
Ralenti à 1
image par
seconde
250
20
5000
167 sec
83 min
500
50
30000
1000 sec
500 min
1000
2
1500
50 sec
25 min
4500
0.11
500
17 sec
8 min
30000
0.5
15000
500 sec
250 min
(http://www.highspeedimaging.com)
II)
Gamme de produits
A) Produit Keyence
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La série CV-5000 est la caméra CCD la plus rapide de la marque. Cette
caméra transfère 2 432 x 2 050 pixels en seulement 61,2 ms. Grace à cette caméra il
est possible de détecter certains défauts extrêmement petits sur des pièces de taille
standard ou des détails sur des pièces plus grandes. Cette caméra existe en couleur
ou en monochrome. Keyence propose un programme qui permet la détection de
défauts, détecter les bords, la position par rapport à un angle, le comptage etc…
B) Produit Polytec
Y-Series de Polytec est une caméra CMOS, elle offre des performances moins
élevées que la caméra rapide CV-5000 de Keyence. De 500 images/s une résolution
de 2 352 x 1 728 jusqu’à 250 000 images/s pour une résolution de 1 280 x 16. Cette
caméra possède une capacité de stockage de 16giga. Les interfaces prévues sont
l’USB 2.0 ou l’Ethernet. Il faut un logiciel MotionPro X qui fonctionne sous Mac et
Windows pour acquérir et utiliser les images. Les dimensions de cette caméra sont
90,5x90,5x220 mm pour un poids de 1,9kg.
C) Produits PhotonLines
1) Mikrotron EoSens
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Cette caméra rapide est une caméra CMOS ultra compacte pour une résolution
maximum de 1 280x1 024 pixels. L’interface CameraLink permet le transfère des
images jusqu’à 700Mo/s vers la carte d’acquisition du PC jusqu’à 500 images/s.
L’interface Gigabit Ethernet transfère quant à elle directement à 100Mo/s jusqu’à 80
images/s. Les dimensions de cette caméra sont de 60x60x47mm.
3) Phatom V7.3
Caméra CMOS la cadence d’acquisition de cette caméra est de 6 688 images/s
en pleine résolution soit 800x600 pixels jusqu’à 500 000 images/s en mode turbo
avec une résolution réduite soit 32x16. Pour transférer les images la caméra est
dotée de l’interface Gigabit Ethernet. La caméra possède une mémoire de 32giga
Les dimensions de la caméra sont 110x100x240mm pour un poids de 3,2kg. Un
logiciel Phantom permet de traiter les images transférées.
4) PCO Dimax
C’est aussi une caméra CMOS, permet d’acquérir à partir de 1 279 images/s en
monochrome et 1 100 images/s en couleur pour une résolution maximale de
2 016x2 016 pixels et jusqu’à 150 000 images/s en monochrome et 130 000
images/s en couleur pour une résolution de 240x16. Ces temps d’exposition sont de
2us à 40ms. Les interfaces utilisables pour cette caméra sont la Gigabit Ethernet,
l’USB 2.0 et la CameraLink HD. Ses dimensions sont 170x230x290.
D) Produit FastVision Technologies
Caméra Proclmage 500-G2, c’est une caméra CMOS monochrome haute
résolution à 1,3M pixels qui offre une cadence de 500images/s pour une résolution
de 1 280x1 024. Elle possède un processeur embarqué programmable, une mémoire
interne de 2giga.
E) Tableau récaptitulatif des différentes caméras
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Cadence
Dimension
Poids
Capteur Résolution
Logiciel
Système
de
Images/S
lxhxL mm
Kg
traitement
d’exloitation
XP,
CV 5000
CCD
2352x2050
Vista,
Windows 7
Mac
XP,
Y-Series
CMOS
2352x1728
250 000
90x90x220
1.9
MotionPro
Vista,
Windows 7
Mac
Mikotron
CMOS
1280x1024
120 000
60x60x47
0.3
CMOS
800x600
500 000
110x100x240 3.2
CMOS
2016x2016
150 000
170x230x290 7
Proclmage CMOS
1280x1024
50 000
170x230x290
EoSens
Phaton
Phatom
V7.3
PCO
Dimax
500-G2
FastVision
XP,
Software
Windows 7
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Vista,
III)
Domaines
d’applications
des
caméras
hautes
vitesse
A) Applications Automobile
La caméra haute vitesse est utilisée dans les applications automobiles
suivantes :
 Crash test : tester le comportement des véhicules en cas de chocs ou de
collisions.
 Déploiement d’Airbag
 Combustion
 Test ceinture de sécurité
 Etc.…
Ordre de Déploiement d’un airbag :
(http://www.micro-sys.com/products/airbag.htm)
B) Applications Militaires
Les applications de la caméra haute vitesse :
 Balistiques :
Sciences
qui
étudie
les
mouvements
des
projectiles,
essentiellement d'armes à feu, dans l'espace. L’utilisation de la caméra haute
vitesse peut être mise en application dans l’intervalle
entre la phase
balistiques et la phase d’accélération du missile. C’est-à-dire quand le moteur
est alimenté qui permet à l’engin l’impulsion nécessaire pour atteindre sa
cible.
 Epreuve d’impact : exemple comment le béton s’oppose à la pénétration des
impacts multiples.
 Tunnel de vent : étude des effets d'air dans le déplaçant des objets solides.
 Etc.…
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Epreuve d’impact (résultat trouvé avec une caméra 100 000 fps) :
C) Applications dans l’Ingénierie
Les applications de la caméra haute vitesse :
 Combustion
 Vibration
 Formation de gouttelette
 Analyse de mouvement
 Dynamique liquide : est l'étude des mouvements des fluides.
 Etc.…
Formation de gouttelette (résultat trouvé avec une caméra 250 000 fps) :
(www.shimadzu.com/products/test/)
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D) Applications industrielles
Les applications de la caméra haute vitesse :
 Entretien/Diagnostic de pannes de Machine : Quand une machine de
production est en sous régime, la productivité de l'équipement aussi. En
utilisant la grande vitesse, les techniciens peuvent vite repérer un problème,
l’analyser et le résoudre.
 Essai de produit : le Choc, épissure volant, Formation de gouttelette, la
vibration et l'essai d'impact d'un produit.
 Organisation d'Équipement et Changement : pour raccourcir le temps
d'organisation pour de nouvelles machines.
 Accélération de la chaîne de fabrication : en comprenant le rapport des
actions réciproques différentes d'une machine, les ingénieurs peuvent
augmenter la production de la machine qui baissera des prix d'unité.
 Etc.…
E) Domaine médical
Les applications de la caméra haute vitesse :
 Formation de gouttelette
 Injections chimiques
 Dynamique de liquide
 Dans la recherche et l’analyse de la mécanique d'organismes vivants
 Etc…
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F) Dans la recherche et développement
Les applications de la caméra haute vitesse :
 Essai d’instrumentation
 Mouvement humain
 Formation de bulle
 Événements sportifs
 Fluorescence
 Etudes d’injections du combustible
 Ecoulement de particule
 Spectroscopie
 Propagation des ondes de chocs
 Etc. …
Propagation des ondes de choc (résultat trouvé avec une caméra 1 000 000 fps) :
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IV) Conclusion
La caméra haute vitesse est une caméra qui est de plus en plus utilisés, elle
est même utilisée dans certains films ou documentaires animaliers comme
« Micorcosmos, le peuple de l’herbe » de Claude Nuridsany.
Il faut faire des compromis résolution/vitesse mais tout cela dépend de ce
que l’on veut observer.
C’est une technologie qui est riche en applications, qui peut être
constamment améliorée. Peut-être qu’un jour le compromis résolution/vitesse
pourrait être moins flagrant.
V)
Bibliographie
1) Support papier
- Mesures n°826 – Juin 2010
- Cours de Monsieur Jean Caron « Fundametals of Industrial Vision”
2) Support internet
-
http://www.visionresearch.com/
-
http://www.shimadzu.com/products/test/hsvc/oh80jt0000001dga.html
-
http://www.highspeedimaging.com/university_105technical_definitions_of_high-speed_imaging.cfm
-
http://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_camera
-
http://www.keyence.fr/products/vision/machine/cv5000/cv5000_features_1.p
hp
-
http://www.photonlines.fr/video-rapide/cameras-rapides/mikrotroneosens.html
-
http://www.photonlines.fr/video-rapide/cameras-rapides/phantom-vers7.html
-
http://www.photonlines.fr/video-rapide/cameras-rapides/pco-dimax-12bits.html
-
http://www.fastvisiontechnologies.com/docs/2010-1118_DS_Procimage500-G2-fr.pdf
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VI) Résumé
Dans ce rapport bibliographique sur les caméras haut-débit, nous avons traité
les caractéristiques d’une caméra haut-débit. Le choix des capteurs CMOS ou CCD.
Le choix de privilégier la vitesse à la résolution de l’image.
Ensuite nous avons étudié différentes caméras, mis en confrontation leurs
performances.
Pour finir nous avons vu les différents domaines d’applications des caméra
haut-débit.
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