Systemy wizyjne część 2 - kamery i systemy

CZĘŚĆ III: KAMERY W SYSTEMACH WIZYJNYCH

Wybór 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

Fot.1 System CV-700 firmy Keyence

Oprócz rozróżnienia w zależności od typu przetwornika obrazu, kamery podzielić można także na monochromatyczne i 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?

Rys.1 Kamery 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.