Kamery linijkowe

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

Fot.2 Producenci kamer oferują również urządzenia we wzmocnionych obudowach przeznaczonych do stosowania w trudnych warunkach środowiskowych i strefach zagrożonych wybuchem (źródło: Keyence)

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 cyfrowych

FireWire (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

Jaki charakter ma polski rynek systemów wizyjnych?

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.

Do których odbiorców trafia najwięcej systemów wizyjnych?

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.

Jakie trendy zaobserwować można w rozwoju technologii kamer? Z czym to jest związane?

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.