CZĘŚĆ IV: SYSTEMY WIZYJNE

„KAMERA PLUS KOMPUTER” I NIE TYLKO

Postrzeganie standardowych systemów wizyjnych jako rozwiązań „kamera plus komputer” nie oddaje w pełni stopnia złożoności takich rozwiązań. Wymienione dwa elementy to wprawdzie podstawowe ich komponenty, ale nie są to jedyne wymagane składniki systemów wizyjnych. W przypadku kamer z interfejsem analogowym konieczne jest stosowanie kart lub modułów akwizycji obrazu, czyli tzw. frame-grabberów.

Kolejnym ważnym elementem jest oprogramowanie, które obejmuje zarówno sterowniki interfejsów kamery, jak i programy do przetwarzania obrazów. Ponieważ obecnie na rynku dostępny jest szeroki asortyment komponentów systemów wizyjnych, realizacja i konfiguracja instalacji zbudowanej z kilku niezależnych, współpracujących ze sobą podzespołów, wymaga umiejętności ich optymalnego doboru.

Systemy wizyjne Kompletny system wizyjny Matrox4SigthX firmy Matrox Imaging Dostępne na rynku kompleksowe platformy do systemów wizyjnych zazwyczaj integrują w sobie funkcjonalność komputera w formie dostosowanej do wykorzystania w trudnych warunkach przemysłowych. Przykładem jest platforma Matrox 4SightX firmy Matrox Imaging wyposażona w interfejsy GigE i IEEE 1394b. Wraz z opcjonalnym podsystemem akwizycji obrazu Matrox Nexis, frame-grabberami analogowymi lub Camera Link Matrox 4SightX zapewnia kompleksową realizację zadań systemu wizyjnego, umożliwiając przechwytywanie, przetwarzanie oraz wyświetlanie obrazu. Pozwala też na kompresję obrazu m.in. do JPEG2000 w czasie rzeczywistym. Wyświetlanie obrazu zapewnia analogowe wyjście główne oraz wyjścia dodatkowe: TV, analogowe VGA lub cyfrowe. Urządzenie ma też szereg portów komunikacyjnych, w tym USB, szeregowe i oddzielne interfejsy Ethernet oraz Gigabit Ethernet. Wraz z systemem producent dostarcza także kompleksowe oprogramowanie do przetwarzania obrazu w postaci bibliotek MIL (Matrox Imaging Library). Aby stworzyć kompletny system wizyjny, platformę Matrox 4SightX można połączyć np. z podsystemem akwizycji obrazu Matrox Nexis. System ten obejmuje jednostkę kontrolną kamer oraz kartę akwizycji obrazu i umożliwia sterowanie oraz jednoczesne przechwytywanie obrazu od dwóch do czterech kamer.

FRAME-GRABBERY

Zadaniem frame-grabberów jest „przechwytywanie” obrazu z kamery i dalsze przesyłanie informacji obrazowych. Frame-grabbery występować mogą w postaci modułów lub kart o wejściach analogowych lub cyfrowych. Te pierwsze zawierają układ wstępnego przetwarzania sygnału oraz układ przetwornika A/C oraz bufor, który umożliwia przechowywanie kolejnych klatek przechwyconego obrazu. Urządzenia te mają często również pamięć przechowującą zarejestrowane obrazy.

JESZCZE JEDEN PODZIAŁ KAMER

Kamery, które w celu nawiązania połączenia z systemem nadrzędnym wymagają stosowania kart akwizycji obrazu, podzielić można jeszcze na dwie grupy – kamery z analogowym oraz cyfrowym wyjściem sygnałowym. Te ostatnie wyposażone mogą być m.in. w takie interfejsy jak LVDS lub Camera Link. Obecnie na rynku coraz popularniejsze są kamery z możliwością bezpośredniego podłączenia do komputera za pośrednictwem istniejącego interfejsu, tj. bez udziału karty lub modułu akwizycji obrazu.

Powszechnie wykorzystywany jest tutaj IEEE 1392 (FireWire), USB oraz Ethernet. Rozpowszechnieniu się tego typu rozwiązań sprzyja głównie fakt, że wiele czynników, które w przeszłości wymuszały zastosowanie frame-grabberów, obecnie już nie ma znaczenia. Przede wszystkim o kilka rzędów wielkości zwiększeniu uległa szybkość przetwarzania danych obrazowych przez komputery. Ponadto duże znaczenie ma wprowadzenie kamer ze skanowaniem progresywnym oraz możliwość umieszczenia przetwornika A/C bezpośrednio w kamerze lub nawet w samym przetworniku obrazu.

NOWE STANDARDY

Na rozpowszechnienie kamer bezpośrednio przyłączanych do komputerów wpłynęło również wprowadzenie nowych standardów komunikacyjnych – przykładowo takich jak GigE Vision. Interfejs ten powstał w oparciu o protokół transmisji Gigabit Ethernet i umożliwia szybką transmisje danych obrazowych przy wykorzystaniu popularnych sieci komunikacyjnych.

Do zalet technologii GigE zaliczyć można również wysoką przepływność (1Gb/s), możliwość zastosowania dłuższego (do 100m) i tańszego okablowania oraz przede wszystkim redukcję kosztów związaną z faktem, że użycie kamery cyfrowej nie wymaga stosowania frame-grabberów. Ważna jest też możliwość zwiększenia przepływności w miarę rozwoju technologii Ethernetu w kierunku technologii 10GigE (10Gb/s).

CZY FRAME-GRABBERY SĄ JESZCZE POTRZEBNE?

Nowe standardy komunikacji nie zawsze spełniają wszystkie wymagania aplikacyjne. Wprowadzenie na rynek kamer bezpośrednio przyłączanych nie tyle wypiera z rynku frame-grabbery, co po prostu zmienia znaczenie kart akwizycji obrazu w systemie wizyjnym. Dotychczas urządzenia te były komponentami niezbędnymi, obecnie stają się elementami, których stosowanie jest w niektórych aplikacjach wymagane w celu uzyskania rezultatów nieosiągalnych w innych przypadkach.

Pozwalają one m.in. na przyspieszenie przetwarzania obrazu, zsynchronizowanie akwizycji obrazu z wielu kamer, wykorzystanie kamer analogowych i kamer specjalnego przeznaczenia. Zdaniem ekspertów tradycyjne frame-grabbery oraz kamery bezpośrednio przyłączane za pośrednictwem interfejsów GigE, FireWire, USB i podobnych będą cały czas współistniały na rynku. Wybór konkretnego rozwiązania zależy bowiem od wymagań aplikacji. Ważna jest tutaj w szczególności możliwość zapewnienia deterministycznej transmisji danych. W przypadku kamer z wymienionymi interfejsami z zalety tych rozwiązań wynika ich główne ograniczenie.

Wszystkie umożliwiają podłączenie kilku kamer do jednego interfejsu, lecz aby zapewnić taką możliwość, a jednocześnie uniknąć kolizji danych przesyłanych od różnych urządzeń, należy liczyć się z występowaniem opóźnień w transmisji. W wielu aplikacjach jest to do zaakceptowania, ale w niektórych całkowicie dyskwalifikuje takie rozwiązanie.

Sławomir Trusiuk Sitaniec Technology Jak ocenia Pan popyt na systemy wizyjne w Polsce? Jak rozwijają się te technologie? W ostatnim czasie widać duże zainteresowanie rozwiązaniami opartymi na systemach wizyjnych. Ich zaletą jest duża sprawność – mogą pracować 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu i dawać w 100% powtarzalny wynik inspekcji. W konsekwencji wzrasta wydajność produkcji i jakość wyrobów. Producenci elementów systemu wizyjnego poszli w kilku kierunkach. Jedni skoncentrowali się na bardzo wydajnych komputerach, do których dokładane są kamery z szybkimi przetwornikami. Inni proponują rozwiązania kompaktowe typu 2 w 1, czyli kamera + komputer. Generalnie wybór sprzętu i rozwiązania zależy od rodzaju aplikacji, w której ma pracować. Jakiego typu są to aplikacje? System wizyjny znajdzie zastosowanie w każdej branży, gdzie towary produkowane są na masową skalę i gdzie wymagana jest kontrola jakości. Przy ich użyciu możemy sprawdzać wiele parametrów: rozpoznamy i skontrolujemy kształt, zmierzymy obiekt (wymiar, średnica, kąt, położenie), wykryjemy i skontrolujemy poprawność nadruku (data, wzór, treść, odczyt kodów), a także skontrolujmy obecność, wypełnienie i wady materiałowe. System wizyjny jest bardzo elastyczny. Dzięki temu zyskujemy możliwość sprawdzenia i eliminacji wadliwych produktów już na linii produkcyjnej.

Fot.3 Karta akwizycji obrazu GrablinkValue firmy Euresys przeznaczona jest do kamer cyfrowych z interfejsem Camera Link; produkt dostępny w Polsce m.in. w ofercie Guru Control Systems

DODATEK: ALGORYTMY PRZETWARZANIA OBRAZU

Elementem dopełniającym systemy wizyjne jest oprogramowanie służące do przetwarzania i analizy obrazów. Integralną częścią pakietów dostarczanych przez producentów systemów wizyjnych jest zazwyczaj szereg algorytmów, które umożliwiają tworzenie różnych aplikacji kontrolno-pomiarowych. Do typowych z nich należą algorytmy dopasowywania wzorca, detekcji krawędzi oraz OCR.