ABC systemów wizyjnych – część 2 - Komponenty przemysłowych systemów wizyjnych

Oświetlenie: jeżeli obiekt świeci samoistnie lub jest oświetlony przez niezależne, stabilne źródło światła – dodatkowy oświetlacz może być zbędny. Niezawodny system wizyjny powinien jednak być niezależny od otoczenia, więc wskazane jest zastosowanie specjalnego oświetlacza, optymalnego pod względem: typu, wymiarów, pozycji i widma światła.

 
Oświetlacze LED (CCS, Nerlite)

Optymalne oświetlenie obiektu to najtrudniejsze zadanie w tworzeniu systemu wizyjnego.

Do dyspozycji mamy oświetlacze:

•  LED – najpopularniejsze ze względu na trwałość rzędu 50 – 70 tysięcy godzin pracy; pracują one w zakresach widmowych: UV, niebieski, zielony, czerwony, biały i bliskiej podczerwieni (NIR); duży wybór typów (światło bezpośrednie lub rozproszone), kształtów (pierścienie, kopuły, płaszczyzny, linie, punkty...) i mocy daje im przewagę nad innymi typami oświetlaczy;

  bardzo korzystna dla LED-ów jest praca w trybie błyskowym (flash), przez co uzyskuje się większą energię światła podczas ekspozycji kamery a jednocześnie wydłuża się okres życia LED-ów;

•  
  Oświetlacz na bazie lampy wyładowawczej (StockerYale)

  lampy wyładowcze – drugie pod względem popularności – to głównie świetlówki białe i UV;

  inne barwy są dostępne, ale mniej popularne; trwałość wynosi 10 – 15 tysięcy godzin pracy; najpopularniejsze kształty tych oświetlaczy to pierścień, linia, płaszczyzna;

  świetlówki pracujące w systemach wizyjnych zasilane są napięciem o częstotliwości 27 – 45 kHz, przez co wyeliminowana jest zmienność intensywności obrazu, występująca przy świetlówkach zasilanych z sieci 50Hz;
  
  

   
  Oświetlacz halogenowy (Volpi)

   lampy halogenowe – są niezastąpione, jeśli potrzebne jest światło „bardzo białe" lub „zimne"; oświetlacz taki składa się zwykle z dwóch komponentów: źródła światła z zasilaczem i światłowodów, za pomocą których doprowadza się światło do obiektu; formując odpowiednio rozstaw końcówek światłowodów, można uzyskać pożądany kształt oświetlacza: punkt, pierścień, linia, płaszczyzna, itd.;

  wadą tych oświetlaczy jest krótka żywotność źródła światła: 50 – 4000 godzin pracy; w warunkach laboratoryjnych nie jest to problemem; w warunkach przemysłowych niezbędna jest wymiana lampy co kilka miesięcy;

  najczęściej oświetlacze te są stosowane, gdy potrzebne jest światło białe o odpowiedniej temperaturze barwowej, np. 6000K, np. w kontroli jakości nadruków;

•  
  Laser i przykładowe struktury światła

   lasery – są popularnym źródłem tzw. „światła kodowanego"; wiązka laserowa może być użyta bezpośrednio, dając na obiekcie „punkt świetlny";

  przy użyciu odpowiedniej soczewki lub płytki holograficznej można uformować linię lub zbiór linii, okrąg lub zbiór okręgów, zbiór punktów i różne kombinacje tych kształtów;

  aktualnie w widzeniu maszynowym stosuje się lasery o barwie czerwonej lub zielonej, chociaż inne długości fali są technicznie możliwe;

  trwałość lasera zależy bardzo mocno od warunków pracy; poprawnie zasilony i nieprzegrzewany laser może pracować do 100 000 godzin;

  zaletą laserów jest możliwość modulacji światła w czasie, np. praca w trybie błyskowym.

 
Obiektyw standardowy (Fujinon) i telecentryczny (Still)

 Optyka: za pomocą obiektywu odwzorowuje się analizowany obszar obiektu na matrycy kamery.

Dobierając obiektyw do geometrii systemu i do wielkości matrycy kamery – większość zadań wizyjnych udaje się rozwiązać przy użyciu obiektywów standardowych, o ogniskowych od 6 do 75 mm. Pełna oferta obiektywów do widzenia maszynowego to ogniskowe od 2,8 mm do 150 mm. Obsługiwane matryce to standardowo formaty 1/3, 1/2, 2/3 i 1 cal. Ale są dostępne i obiektywy do matryc znacznie większych, o średnicy pola obrazowego do 90 mm.

Do zadań pomiarowych dostępne są obiektywy telecentryczne – patrzące „równolegle" na obiekt. Ich wadą jest to, że średnica pierwszej soczewki musi być większa niż średnica pola widzenia, a uwzględniając pożądaną wysoką dokładność odwzorowania, niezbędną przy pomiarach – jasne staje się, że są one drogie. W licznych zadaniach wizyjnych są jednak niezbędne.

Kamery: kamera stanowi serce systemu wizyjnego. Przetwarza obraz na sygnały elektryczne, dokonuje operacji na obrazach, transferuje obraz do komputera. Kamery stosowane w systemach wizyjnych można klasyfikować ze względu na następujące kryteria:

 
Matryca 1D (liniowa, line scan) i 2D (area scan) Dalsa

konfigurację matrycy:

• kamery matrycowe – z sensorem w postaci dwuwymiarowej matrycy pixeli – najpopularniejsze, rejestrujące obraz obiektu w jednym naświetleniu matrycy;
• kamery liniowe – z sensorem w postaci jednego lub kilku linii pixeli – służące do rejestracji obrazu „linia po linii", które to linie składane są w karcie akwizycji (frame grabber-ze) w jedną klatkę obrazu. Służą one głównie do „skanowania" obiektów w ruchu, zwłaszcza jeśli w jednej chwili widoczny jest tylko mały fragment obiektu, a całego obiektu nie widać nigdy, np. wstęgi papieru, folii plastikowej, włókien itp.;

typ przetwornika:

• CCD – fotodetektory, które podczas transferu obrazu przekazują sobie ładunki (na zasadzie „podaj dalej"), realizowane w kilku wersjach, ze swoimi charakterystycznymi zaletami (wysoka czułość, małe szumy) i wadami (rozmazywanie obrazu, mała szybkość akwizycji obrazu);
• CMOS – fotodetektory z natychmiastowym przetwarzaniem ładunku na napięcie i transferem obrazu w postaci sygnału elektrycznego, z wynikającymi z tego zaletami (szybki transfer obrazu, brak rozmazywania obrazu) i wadami (duże szumy, mała czułość, mały „fill factor");·

interfejs:

• analog – najstarszy, wywodzący się z techniki telewizyjnej, najwolniejszy, ale ciągle najpopularniejszy na świecie; ok. 60 – 70% aplikacji wizyjnych ciągle bazuje na kamerach analogowych;
• CameraLink: – najszybszy, bardzo niezawodny;
• FireWire (IEEE-1394) – wygodny w użyciu, dobrze zdefiniowany standard wizyjny;
• Gigabit Ethernet + GenICam – najnowszy, najbardziej perspektywiczny, dający szansę na tanie i niezawodne rozwiązania, najlepiej zdefiniowany standard wizyjny;
• USB – sierota wśród przemysłowych interfejsów wizyjnych, popularny w laboratoriach.

 
Kamera kolorowa: matryca z mikrofiltrami, 3 matryce

 czułość widmową:

• monochromatyczne – używane w ponad 80% aplikacji wizyjnych;
• kolorowe – z jedną matrycą i z mikrofiltrami na matrycy (najczęściej filtr Bayer GRB);
• z trzema matrycami;

Dobór właściwej kamery do danego zadania wizyjnego czasem jest łatwy, czasem bardzo trudny. Zrozumienie zasady działania matrycy, interfejsu, wewnętrznych funkcji kamery – to na tyle trudne zadanie, że mały procent fachowców panuje nad tą wiedzą. Oczywiście można kupić inteligentną kamerę poleconą przez dostawcę i nie tracić czasu na zrozumienie kamery, ale często kończy się to nieudanym wdrożeniem i przekonaniem że „wizja nie działa".

Kable: wydają się mało istotnym składnikiem Systemu Wizyjnego. Bardzo często są one jednak „wąskim gardłem". Maksymalna długość kabli FireWire i USB to ok. 5 metrów, CameraLink to maksimum 5 lub 10 metrów (zależnie od częstotliwości zegara), a GigE i analog mogą mieć długość do 100 metrów.

Stosując wzmacniacze linii (repeater-y) lub konwertery sygnału np. CameraLink/światłowód – sygnał kamery można transferować na kilometry.

Dodatkowo przydatne bywają kable triggerowe lub sprzęgające sygnały synchronizacji.

Jeśli kamera ma być umieszczona na ramieniu robota lub na innym ruchomym elemencie – kabel kamery musi być odporny na zginanie, a często i na agresywne czynniki zewnętrzne.

Karty akwizycji: kamerę podłącza się do komputera przez „jakiś" interfejs. W starszych technologiach służyły do tego karty akwizycji (frame grabbery):

• analogowe;
• równoległe;
• CameraLink.

Karta taka umożliwia podłączenie jednej, dwóch, a czasem 4 lub 6 kamer jednocześnie. Często karty takie posiadają też wejścia dla sygnałów triggerowych z czujnika lub enkodera.

W nowszych technologiach kamer sygnał transferowany jest przez standardowy port:

• FireWire (IEEE-1394);
• Gigabit Ethernet;
• USB;

przy czym funkcje karty akwizycji pełni sterownik (driver) tworzący w RAMie komputera wirtualną kartę akwizycji, z buforami obrazu i pewnymi funkcjami obróbki obrazu, charakterystycznymi dla tradycyjnych kart akwizycji.

Komputery: zakres konfiguracji komputerów stosowanych w przemysłowych systemach wizyjnych jest bardzo szeroki. Od procesorów wbudowanych w sensory wizyjne, poprzez komputery wbudowane w kamery inteligentne, komputery biurowe PC, notebooki, aż po specjalizowane komputery wizyjne lub przemysłowe o dużej mocy obliczeniowej i wysokiej trwałości i niezawodności.

Oprogramowanie: w przemysłowych systemach wizyjnych oprogramowanie to dwie dziedziny:

• sterowniki interfejsów kamer;
• programy do obróbki obrazów.

W starych technologiach kamerowych, wybierając jakąś kartę akwizycji, jest się skazanym na dalsze zakupy u tego samego dostawcy. Z kartą akwizycji otrzymuje się zwykle sterownik (driver), który będzie współpracował tylko z oprogramowaniem do obróbki obrazu tego samego producenta.

W nowych technologiach, FireWire, GigE, USB można zastosować kamerę jednego producenta, interfejs drugiego, driver trzeciego, a program obróbki obrazu od czwartego. Zamienność sprzętowa, o ile nie nastąpi zmiana specyfikacji (np. inna rozdzielczość kamery), jest realna. Wyjątkowo korzystna pod tym względem jest technologia GigE + GeniCam.

Oprogramowanie wizyjne zwykle realizuje funkcje:

• drivery: ustawianie parametrów kamery, komunikację z kamerą – transfer obrazów, może realizować pewne proste funkcje obróbki obrazu;

• programy do obróbki obrazów: filtrowanie obrazów, segmentację, arytmetykę obrazów, konwersję obrazów, rozpoznawanie kształtów, wykrywanie krawędzi, wyszukiwanie obiektów, odczyt kodów i tekstów, analizę barwy i operacje na barwach, i wiele innych, zwykle kilkaset różnych funkcji.

Programy obróbki obrazów różnych producentów zazwyczaj posiadają ten sam lub podobny zbiór funkcji obróbki obrazów.

Program do obróbki obrazów – albo jako niezależny język programowania, albo jako biblioteka instalowana w popularnych językach programowania, służy do utworzenia aplikacji obsługującej zadanie wizyjne. Po napisaniu aplikacji jest ona kompilowana na plik *.exe, który później instalowany jest w komputerze zleceniodawcy.

Praktycznie każdy producent kamer lub kart akwizycji ma w swojej ofercie jakiś software wizyjny, płatny lub darmowy (SDK = Software Developer Kit).

Czytaj więcej o systemach wizyjnych:

- ABC systemów wizyjnych - część 1 - podstawy

- ABC systemów wizyjnych – część 3 – tworzenie, zastosowanie, perspektywy

- Kamery 3D w systemach wizyjnych - wywiad z Krzysztofem Antczakiem z firmy SICK

- Systemy wizyjne w robotyce - wywiad z prof. Ryszardem Tadeusiewiczem