Część III: Kamery w systemach wizyjnych
| TechnikaWybór kamery to niewątpliwie jeden z najważniejszych etapów tworzenia systemu wizyjnego. Zawiera ona przetwornik, na którym obiektyw odwzorowuje obraz obserwowanego obiektu, a jej zadaniem jest rejestracja tej informacji i transmisja do dalszej części systemu – zazwyczaj urządzeń analizujących jego zawartość.
Przez ostatnie kilkadziesiąt lat w tej dziedzinie zachodził ciągły postęp,do czego przyczyniały się zmiany w technologii przetworników obrazu – m.in. rozwój elementów CCD (Charge-Coupled Device) oraz przetworników CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
PRZETWORNIKI OBRAZU
CCD i CMOS reprezentują dwie różne technologie, przy czym każda ma zarówno zalety, jak i wady. Wybór jednej z nich zależy głównie od specyfiki aplikacji, w której wykorzystana ma być dana kamera. Obydwa przetworniki działają na podobnej zasadzie fizycznej, przy czym różnice dotyczą procesu przetwarzania rejestrowanego obrazu. Światło padające na matrycę przetwornika powoduje zmianę ładunku elektrycznego w strukturze materiału światłoczułego.
W elementach CCD ładunki poszczególnych pikseli są przy użyciu dodatkowych układów przenoszone na wspólne wyjście przetwornika, gdzie następuje pomiar napięcia odpowiadającego natężeniu światła padającego na daną komórkę matrycy. W przetwornikach CMOS zmiana ładunku zostaje wykorzystana natomiast do sterowania tranzystorami, co pozwala na bezpośrednie określenie wymienionej wartości natężenia.
Obie technologie wynalezione zostały w latach 60.-70. zeszłego wieku, przy czym na początku dominowały na rynku przetworniki CCD. Było to związane z ówczesnym stopniem zaawansowania procesów technologicznych w zakresie produkcji półprzewodników. Na tym etapie układy CCD zapewniały po prostu znacznie lepszą jakość obrazu, jednak, wraz z rozwojem technik wytwarzania struktur półprzewodnikowych, w latach 90. wzrosło zainteresowanie produkcją przetworników CMOS. Nadzieje wiązano szczególnie z takimi cechami tych przetworników, jak niższy pobór mocy i większa skala integracji.
KAMERY KOLOROWE I MONOCHROMATYCZNE
Oprócz rozróżnienia w zależności od typu przetwornika obrazu, kamery podzielić można także na kamery monochromatyczne i kamery kolorowe. Z pozoru może wydawać się, że decyzja o wyborze odpowiedniego ich typu nie jest trudna, jednak ma ona kluczowe znacznie dla kompletacji odpowiedniego systemu wizyjnego. Wybierając kamerę do aplikacji przemysłowej, wiele osób odruchowo zdecydowałoby się na kamerę kolorową, ponieważ panuje przekonanie, że obraz monochromatyczny jest "gorszy”. Nie jest to jednak prawdą.
Przetworniki obrazu działają w oparciu o efekt fotoelektryczny, stąd rozpoznawanie kolorów wymaga implementacji dodatkowych rozwiązań. W większości kolorowych kamer CCD wykorzystywany jest pojedynczy przetwornik obrazu, na który zostaje naniesiona mozaika kolorowych filtrów. Dzięki temu sąsiadujące piksele rejestrują natężenie światła o innej barwie. Jednak takie podejście w znaczący sposób zmniejsza rozdzielczość obrazu. Porównanie typowego układu kolorowej kamery z pojedynczym przetwornikiem i kamery monochromatycznej wypada zdecydowanie na korzyść drugiego rozwiązania. W kamerach monochromatycznych pojedynczy piksel niesie informacje jedynie o natężeniu padającego światła.
Brak filtrów koloru zwiększa rozdzielczość takiego układu, w związku z tym zazwyczaj kamery monochromatyczne mają o 10% większą rozdzielczość niż kamery kolorowe. Inne parametry, w tym współczynnik SNR, czułość i kontrast są także korzystniejsze w przypadku kamer jednobarwnych. Dodatkowo przetwarzanie obrazu monochromatycznego jest mniej skomplikowane, co przyspiesza proces ich analizy.
Można ocenić, że w dużej części przemysłowych systemów wizyjnych lepiej sprawdzają się kamery monochromatyczne. Dotyczy to zwłaszcza aplikacji pomiarowych, w których kluczowa jest duża rozdzielczość. Jeżeli jednak pojawi się konieczność połączenia dużej rozdzielczości i rejestracji obrazu kolorowego, należy sięgnąć po tzw. kolorową kamerę z trzema przetwornikami CCD. Rozwiązanie to oparte jest na wykorzystaniu pryzmatu oraz trzech przetworników obrazu i zapewnia dużą rozdzielczość, ale jednocześnie charakteryzuje się mniejszą czułością i wyższą ceną.
Kamery na rynku – przykłady
Kamera z serii pilot z interfejsem GigE
Szeroki asortyment produktów do systemów wizyjnych proponuje niemiecka firma Basler. Jej oferta obejmuje m.in. kamery obrazowe serii pilot z interfejsem GigE Vision o rozdzielczości 1, 2 i 5 megapikseli oraz prędkości rejestracji od 12 do 120 klatek/s. Firma dostarcza także kamery z serii scout z interfejsem IEEE1394b oraz GigE Vision, które charakteryzują się rozdzielczościami 1,4 i 2 megapikseli przy liczbie klatek/s od 14 do 77. Oprócz kamer obrazowych Basler oferuje także kamery linijkowe, m.in. serię Runner z interfejsem GigE Vision i rodzinę Sprint z interfejsem Camera Link. W przypadku tej pierwszej producent oferuje modele o rozdzielczości 1024 pikseli, 2048 pikseli oraz model trzylinijkowy o rozdzielczości 2098 pikseli. Z kolei w serii Sprint dostępne są modele o rozdzielczości 2048, 4096 i 8192 pikseli. W serii Runner maksymalna możliwa częstotliwość skanowania to 56kHz, a w serii Sprint 140kHz. 
Kamera linijkowa firmy Basler z serii Runner
Firma oferuje także kamery inteligentne z serii eXcite. Są to kompletne urządzenia, które oprócz akwizycji obrazu zapewniają też jego wstępną obróbkę. Przetwarzanie obrazu realizowane jest z wykorzystaniem 64-bitowego procesora taktowanego zegarem 1GHz. Kamery serii eXcite zapewniają rozdzielczość w zakresie od VGA do 2 megapikseli i prędkość rejestracji do 180 klatek/s. Oddzielny mikrokontroler odpowiada za realizację wszelkich wewnętrznych funkcji, takich jak konfiguracja i akwizycja obrazu. Modele z tej serii mogą komunikować się ze światem zewnętrznym za pośrednictwem interfejsu Gigabit Ethernet, USB oraz RS232 i cyfrowych portów I/O. W Polsce dystrybucją kamer z oferty Basler zajmuje się firma CRI Jolanta oraz Avicon. |
KAMERY OBRAZOWE CZY LINIJKOWE?
Na etapie projektowania systemu wizyjnego należy rozstrzygnąć również kwestię, czy w danej aplikacji stosowana będzie typowa kamera obrazowa (matrycowa, area-scan), czy kamera linijkowa (linescan). Do tych ostatnich projektanci systemów wizyjnych odnoszą się, często niesłusznie, z rezerwą. Właściwego wyboru pozwala dokonać analiza charakteru obiektu podlegającego inspekcji.
Systemy wizyjne wykorzystujące kamery linijkowe znaleźć mogą zastosowanie m.in. w pomiarach obiektów obracających się, a przede wszystkim w kontroli produkcji materiałów takich jak: papier, szkło, blachy stalowe czy materiały włókiennicze.
Obiekty tego typu na etapie produkcji mają często postać długich arkuszy. Innym przykładem wykorzystania kamer linijkowych jest przemysł spożywczy, gdzie systemy wizyjne używane są np. w procesach eliminacji ziaren o niewystarczająco dobrej jakości lub wszelkich ciał obcych zmieszanych z produktem podstawowym. Ziarna, przesuwając się na taśmie lub spadając ze zsypu, tworzą również jednolitą powierzchnię. W takich przypadkach istotna staje się właściwość kamer linijkowych umożliwiająca uzyskanie obrazu ciągłego obiektów o dużej powierzchni.
Widzenie w 3D
System wizyjny wykorzystujący kamerę IVC-3D firmy Sick pozwala na kontrolę powierzchni takich produktów, jak elementy hamulców samochodowych
IVC-3D to inteligentna kamera przeznaczona do kontroli i pomiarów w przestrzeni 3-wymiarowej, gdzie trzeci wymiar uzyskiwany jest za pomocą metody triangulacyjnej. Urządzenie zawiera moduł akwizycji obrazu, oświetlacz oraz jednostkę analizującą dane. Oprócz wykonywania standardowych pomiarów jak w przypadku kamer 2D, IVC-3D pozwala na pomiary kształtu przedmiotu, w tym jego wysokości i objętości. Jeśli aplikacja wymaga pomiaru lub kontroli niepłaskiego obiektu, kamera pozwala na uwydatnienie różnic w jego wysokości. Urządzenie pozwala na akwizycję do 5 tys. profili 3D na sekundę, a do oświetlenia wykorzystuje wbudowany laser. W kamerze wykorzystano przetwornik CMOS o rozdzielczości 1536×512 pikseli, obrazy 3D uzyskiwane są niezależne od kontrastu (pozwala to np. na wykrywanie białych obiektów na białym tle). Do przetwarzania danych używany jest wbudowany komputer z procesorem taktowanym z częstotliwością 800MHz. Do komunikacji służą interfejsy: szeregowy i Ethernet, kamera ma też wbudowane serwery FTP, OPC oraz WWW. Urządzenie cechuje się stopniem ochrony IP65. Producent dostarcza do niego także bezpłatne środowisko programowania IVC-Studio, które zawiera ponad 100 gotowych procedur i narzędzi. |
KAMERY LINIJKOWE
W opisanych powyższych zastosowaniach kamery linijkowe sprawdzają się zazwyczaj lepiej niż obrazowe, czego przyczyną jest inna zasada ich działania. Kamery obrazowe rejestrują sekwencję obrazów odwzorowujących poruszający się obiekt. W praktyce ciągła rejestracja w obiektach o nieograniczonej powierzchni uzyskiwania jest poprzez zapis częściowo pokrywających się obrazów. W dalszej kolejności specjalne oprogramowanie przetwarza pozyskane obrazy, usuwając zdublowane fragmenty i eliminując zniekształcenia.
Obraz w kamerze linijkowej (rys. 1) tworzony jest krokowo. Przetwornik w postaci pojedynczej linijki pikseli rejestruje kolejne linie obrazu – w tym celu przesuwa się on nad obiektem lub obiekt porusza się pod kamerą. Technika ta jest od wielu lat stosowana m.in. w skanerach – różnica dotyczy jednak rozmiarów przetwornika, który w skanerach odpowiada zazwyczaj szerokości skanowanej powierzchni. Tymczasem kamery linijkowe wykorzystują miniaturowe przetworniki obrazu, które typowo stanowią linijkę złożoną z 512–8192 pikseli.
Sposób, w jaki w kamerach linijkowych rejestrowany jest obraz obiektu, wymaga dużego stopnia precyzji. Aby możliwe było uzyskanie dokładnego obrazu, rejestracja musi być zsynchronizowana w czasie z ruchem obiektu, a skanowanie powinno być równomierne. W praktyce prędkość ruchu obiektu może zmieniać się w sposób nieprzewidywalny, w związku z czym jest ona często dodatkowo monitorowana w punktach rozmieszczonych w równych odstępach, a ruch samego obiektu odpowiednio synchronizowany.
Z tych powodów aplikacja z kamerami linijkowymi może być bardziej skomplikowana niż w przypadku kamer obrazowych. Niemniej jednak te pierwsze pozwalają często uzyskać obraz o lepszej jakości, ponieważ w tym przypadku nie występuje efekt rozmazania obiektów będących w ruchu. Dodatkowo dane obrazowe przetwarzać można linijka po linijce, co sprawia, że proces obróbki jest wydajniejszy.
Przykładowe kompletacje
Karta akwizycji obrazu DominoMelody firmy Euresys
Firmy branżowe oferują nie tylko pojedyncze produkty, ale też kompletacje systemów obejmujące zestaw "kamera plus frame-grabber plus akcesoria". Rozwiązania takie ma m.in. firma Adlink Technology – ich przykłady omówione zostały poniżej. Kamera analogowa ze skanowaniem progresywnym
Kamera CS8560D firmy Toshiba Teli
Rozwiązanie to przeznaczone jest przede wszystkim do systemów wizyjnych stosowanych w inspekcji elementów z otworami, detali takich jak śruby czy przy odczycie kodów. W skład zestawu wchodzi karta akwizycji obrazu Domino Melody firmy Euresys, kamera CS8560D Toshiba Teli oraz 5-metrowy przewód. Zasadniczym elementem zestawu jest analogowa kamera CS8560D ze skanowaniem progresywnym, która zawiera przetwornik obrazu CCD 1/3". Kamera umożliwia rejestrację 60 klatek/s przy rozdzielczości 640×480 pikseli. Oferowana w tym zestawie karta akwizycji obrazu przeznaczona jest do współpracy z monochromatycznymi kamerami analogowymi single-tap. Karta zawiera 10-bitowy przetwornik A/C o szybkości przetwarzania 40MHz oraz pamięć 16MB. Kamera analogowa z przeplotem
Frame-grabber firmy Euresys
Zestaw przeznaczony jest do systemów wizyjnych w inspekcji obiektów nieruchomych oraz w aplikacjach realizujących zadania optycznego rozpoznawania znaków (OCR). W jego skład wchodzi karta akwizycji danych z serii Picolo firmy Euresys oraz analogowa kamera firmy Toshiba Teli o symbolu CS8620i z przetwornikiem 1,2" CCD, która rejestruje 30 klatek/s. Zestaw z cyfrową kamerą linijkową
Kamera linijkowa Sentech STL-5150UCL
Zestaw ten znaleźć może zastosowanie w aplikacjach takich jak kontrola jakości obwodów drukowanych, detekcja defektów krawędzi i systemy inspekcji wyświetlaczy. VP-Val51 obejmuje kamerę linijkową typu STL-5150UCL (5150 pikseli) amerykańskiej firmy Sentech oraz kartę akwizycji obraz Grablink Value firmy Euresys. Jest to karta przeznaczona do akwizycji obrazu z kamer z interfejsem Camera Link. W skład zestawu wchodzi również 5-metrowy przewód. |
KAMERY INTELIGENTNE
Oprócz wymienionych rozwiązań, na rynku coraz popularniejsze są tzw. kamery inteligentne. Ich podstawowymi elementami są przetwornik obrazu, obiektyw, układ mikroprocesorowy i komunikacyjny, ew. oświetlacze i układy sterowania oświetleniem. Integrują one więc większość przedstawionych dotychczas komponentów typowych systemów wizyjnych, co pozwala na realizację bezpośredniej analizy obrazu w obrębie jednego układu. Kamery inteligentne bardzo często zapewniają też kompleksową analizę obrazu.
Ponadto, ze względu na wbudowanie interfejsu komunikacyjnego – np. Ethernet, rozwiązania tego typu mają możliwość łatwej komunikacji z innymi urządzeniami w sieci. Pozwala to również na bezpośrednią integrację ze sterownikami PLC, PAC oraz interfejsami HMI, a także sterowanie elementami wykonawczymi niektórych systemów przemysłowych.
Duży stopień integracji kamer inteligentnych sugeruje, że zaprogramowanie takiego urządzenia jest skomplikowane. Pod tym względem kamery inteligentne różnią się jednak od typowych systemów wizyjnych. Są one często prostsze w konfiguracji i obsłudze, a także pozwalają na realizację większości popularnych algorytmów przetwarzania obrazu.
Popularne interfejsy kamer cyfrowychFireWire (IEEE 1394)
IEEE 1394 to popularny standard magistrali szeregowej zaprojektowany przede wszystkim z myślą o realizacji komunikacji z urządzeniami multimedialnymi. Interfejs FireWire jest dziś implementowany w większości komputerów dostępnych na rynku. Nie wymaga instalacji frame-grabbera. Zaletą transmisji przy użyciu tego interfejsu jest też to, że w niewielkim stopniu obciąża procesor. Jest to ważne zwłaszcza w systemach wizyjnych, w których algorytmy przetwarzania obrazu mogą obliczeniowo obciążać jednostkę centralną. USB 2.0
Pierwotnym przeznaczeniem tego standardu była komunikacja z urządzeniami takimi jak klawiatury, myszki, drukarki. Jednak wraz z wprowadzeniem wersji 2.0, która zapewniła prędkość transmisji z szybkością 480 Mb/s przy maksymalnej długości połączenia 5m, zakres wykorzystania interfejsu USB wzrósł, obejmując też kamery cyfrowe. Wadą jest brak standardu przemysłowego tego interfejsu. Jest to przyczyną problemów z obsługą kamer z interfejsem USB pochodzących od różnych producentów. Wadą jest też duże obciążenie procesora. Dlatego nie jest zalecane wykorzystanie urządzeń z interfejsem USB w systemach wizyjnych, mimo że jest to stosunkowo tanie rozwiązanie. CameraLink
Z większymi kosztami łączy się wykorzystanie kamer z interfejsem CameraLink. W zamian standard ten zapewnia dużą szybkość transmisji (do 4,8 Gb/s) oraz deterministyczną transmisję, która umożliwia implementację szeregu funkcji użytecznych w systemach wizyjnych. Interfejs CameraLink został zaprojektowany specjalnie w celu transmisji danych z kamer cyfrowych do komputera. Wymaga jednak instalacji frame-grabbera. Wadą jest też to, że komunikacja z dwoma kamerami wymaga dwóch oddzielnych framerabberów. Gigabit Ethernet (GigE)
Deterministyczna transmisja jest natomiast problemem w przypadku komunikacji za pośrednictwem interfejsu GigE. Możliwość opóźnień transmisji lub utraty części danych w przypadku dużego obciążenia sieci jest jednak rekompensowana przez szereg zalet tego interfejsu, w tym wysoką przepływność 1Gb/s, długość kabla sieciowego 100m i nieograniczoną liczbę urządzeń. |
| TABELA 1. Najpopularniejsze interfejsy kamer cyfrowych | |||||
| FireWire 1394.a | FireWire 134.b | USB 2.0 | GigE | Camera Link | |
| Prędkość transmisji (Mb/s) |
400 | 800 | 480 | 1000 | 4800 |
| Maksymalna długość segmentu sieci (m) |
4,5 | 100 | 5 | 100 | 10 |
| Maksymalna liczba urządzeń |
63 | 63 | 63 | 127 | nieograniczona 1 |
| Złącze | 6-pinowe | 9-pinowe | USB | RJ-45 kat6 | 26-pinowe |
| Karta akwizycji obrazu | opcjonalnie | opcjonalni | opcjonalni | niewymagan | wymagane |
| Zasilanie | opcjonalnie | opcjonalni | opcjonalnie | PoE (Power over Ethernet) |
PoCL (Power over Camera Link) |
Adam Rosz Avicon
Sektor ten jest w istocie dwojaki, gdyż obejmuje rynki komponentów oraz integracji. W przypadku komponentów obserwujemy niesamowitą wręcz dynamikę rozwoju. Jeszcze rok, dwa lata temu mogliśmy na palcach jednej ręki wyliczyć poważnych dostawców komponentów wizyjnych – dzisiaj w Polsce swoje przedstawicielstwa mają wszystkie najważniejsze marki. Mocną stroną polskiego rynku jest też znaczna liczba firm świadczących usługi integracyjne i projektujących systemy pod klucz.
Elastyczność technologii wizyjnych w dopasowaniu do dowolnego procesu produkcyjnego jest ogromna i teoretycznie nie można wyróżnić uprzywilejowanych branż. Z naszego doświadczenia wynika, że największe zainteresowanie wykazuje segment FMCG, motoryzacyjny, farmaceutyczny oraz logistyczny. Bardzo dużym odbiorcą systemów wizyjnych są odbiorcy związani z nauką – uniwersytety, politechniki, instytuty naukowo-badawcze.
W segmencie kamer przemysłowych obserwujemy rozwój nowych interfejsów przesyłu danych. Oczekujemy, że detronizacja najszybszego obecnie komercyjnie dostępnego interfejsu Camera Link z transferem maksymalnym 5,4 Gb/s to kwestia kilku lat. Nowe, konkurencyjne technologie to bardziej ekonomiczny FireWire IEEE 1394-2008 z transferem 3,2 Gb/s oraz oparty na komunikacji światłowodowej i kompatybilny w dół 10 Giga Ethernet z transferem 10 Gb/s. Wzrost prędkości akwizycji będzie głównym motorem rozwoju innych części składowych kamer, w szczególności matryc obrazowych. |
ZA I PRZECIW
Kompletny system wizyjny w jednej obudowie, który zrealizowany jest z wykorzystaniem kamery inteligentnej, to w wielu aplikacjach lepsze rozwiązanie niż użycie kamery połączonej z oddzielnym komputerem. Pozwala zaoszczędzić miejsce montażowe, co w wielu przypadkach jest bardzo istotne.
Innym przykładem mogą być aplikacje wymagające zachowania sterylności, w których zintegrowane rozwiązania sprawdzają się znacznie lepiej niż systemy złożone z wielu elementów. Powyższe argumenty nie oznaczają, że klasyczne systemy wizyjne tracą znacząco na popularności.
Rozwiązania typu "kamera plus komputer" wciąż zapewniają większą elastyczność tworzenia systemu. Dotyczy to w szczególności systemów z wieloma kamerami, które łączone są zbiorczo po kilka sztuk do jednego komputera analizującego obrazy. W takich rozwiązaniach często łatwiej jest również dobierać samo oprogramowanie, które w przypadku kamer inteligentnych pochodzi zazwyczaj z jednego źródła.
Rys.2 Detekcja krawędzi - przykład
|
Rys.3 Dopasowanie wzorca - przykład
|
Kamera inteligentna Matrox Iris GT z oprogramowaniem
Matrox Iris GT to najnowsza generacja kamer inteligentnych produkowanych przez firmę Matrox Imaging. Kamery tej serii bazują na jednostce centralnej z procesorem Intel Atom 1,6 GHz działającej pod kontrolą wbudowanego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego Windows CE 6.0. Inne cechy kamery Matrox Iris GT to zintegrowany kontroler graficzny z wyjściem VGA, pamięć operacyjna DDR2 256MB oraz dysk Flash 1GB, porty komunikacyjne Gigabit Ethernet, USB 2.0 i szeregowy, a także optoizolowane wejście wyzwalające i wyjście strobujące. Dla bezpośredniej komunikacji ze sterownikami PLC i innymi urządzeniami automatyki Matrox Iris GT obsługuje także protokoły Ethernet/IP oraz Modbus over TCP/IP. Aplikacje wizyjne mogą być tworzone za pomocą interaktywnego środowiska rozwojowego Matrox Design Assistant (dostarczanego z każdą kamerą) lub opcjonalnej biblioteki oprogramowania Matrox Imaging Library. W tym pierwszym użytkownicy tworzą schemat blokowy aplikacji, który jest następnie tłumaczony na odpowiednią instrukcję dla kamery. Matrox Design Assistant oferuje narzędzia do przetwarzania i analizy obrazów niezbędne do stworzenia większości aplikacji widzenia maszynowego, a dodatkowo ma zintegrowany edytor HTML umożliwiający tworzenie podglądów operatorskich. Matrox Imaging Library (MIL) to z kolei zbiór narzędzi programistycznych do rozwijania przemysłowych aplikacji wizyjnych działających pod kontrolą Windows CE 6.0 i innych systemów operacyjnych. Zbiór narzędzi zawiera interaktywne oprogramowanie i funkcje programistyczne do pozyskiwania, przetwarzania, analizy, opisywania, wyświetlania i archiwizacji obrazów. W szczególności zawiera narzędzia do kalibracji, poprawiania i transformacji obrazu, lokalizacji obiektów, wydobywania i mierzenia cech, czytania łańcuchów znaków, dekodowania i weryfikacji oznaczeń identyfikacyjnych. |
