Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Digitální kamery DataCam

Komponenty pro digitální snímání a zpra­cování obrazů nalézají v průmyslové au­tomatizaci stále větší uplatnění. Přiměře­ně k rozsáhlým možnostem využití exis­tuje také mnoho typů digitálních kamer od mnoha výrobců. V tomto článku bude vysvětleno, proč kamery DataCam nejsou jen jedněmi z mnoha, v čem jsou jen ob­tížně překonatelné a pro co naopak nejsou příliš vhodné.
 

Proč kamery DataCam?

Vlastní princip digitálního připojení ka­mer (USB či Ethernet) zdaleka není zárukou kvality obrazu. Dokonce lze říci, že přítom­nost digitálního rozhraní není ani tím nejdů­ležitějším kritériem. Kamery jsou si vesměs svou konstrukcí velmi podobné. Naprostá vět­šina běžných digitálních CCD kamer obsahu­je podobný integrovaný kamerový řadič, který digitalizuje data z CCD, vyvažuje barevnost, interpoluje barvy z Bayerovy masky a ztráto­vě komprimuje data (v lepším případě) do da­tového proudu podle standardu MPEG4. Kva­lita těchto operací je vzhledem ke kompro­misně omezeným vlastnostem integrovaného obrazového procesoru vždy viditelně limito­vána, a výsledný obraz je tak zatížen četnými nežádoucími efekty. Pro hlídání areálů či pro dozor bývá tato kvalita dostatečná, ale i zde se příliš často stává, že např. bankovní lupič projde dva metry pod kamerou a na výsled­ném záznamu se objeví jen několik barevných skvrn, takže lupič není k poznání. Jiná je ale situace v oblasti strojového vidění a inspekč­ních systémů. Zde je kvalita obrazu určující pro výslednou přesnost systému.
 
Principem kamer DataCam®(obr. 1) je poskytování tzv. syrových dat (RAW; bez­ztrátový formát, „syrové“ digitální infor­mace) s šestnáctibitovou dynamikou jasu každého obrazového bodu (pixelu). Kvalit­ní design elektroniky zaručuje velmi nízký obrazový šum. Obraz není v kameře nijak transformován, barevně vyvažován, interpo­lován ani není komprimován. Přínosem pro měřicí úlohy je bezkonkurenční přesnost ob­razu, pro některé dohledové systémy však může být na překážku tok velkého objemu dat mezi kamerou a počítačem a omezená délka USB kabelu.
 
Kamery DataCam nalézají uplatnění všu­de tam, kde je požadována nejlepší dosaži­telná kvalita obrazu. Jsou dobrou volbou pro takové úlohy, kde je třeba naprosto stabil­ní a přesný obraz bez šumu. Kamery Data­Cam přenášejí syrová (RAW) data v maxi­mální dosažitelné kvalitě přímo do počíta­če po rychlé sběrnici USB 2.0. Zde mohou být tato data zpracována výkonným obrazo­vým procesorem grafického adaptéru bez ja­kýchkoliv kompromisů mezi kvalitou a da­tovým tokem.
 

Průmyslové kamery

Průmyslové kamery DataCam jsou vestavěny do kompaktního a odolného těla z hliníku. K dispozi­ci jsou i verze s krytím IP65. Existu­jí barevné i černobílé varianty s roz­lišením od 640 × 480 až po 1 600 × 1 200 pixelů. Nízká spotřeba do­voluje napájet je přímo z USB.
 

Vědecké kamery s velmi nízkým šumem

Řada kamer G2-CCD (obr. 3) je vybavena vysoce citlivými, nízkošu­movými detektory Full-Frame CCD od firmy Kodak. Pokročilá analogo­vá elektronika zaručuje velmi nízký čtecí šum. Mnoho vlastností chlaze­ných kamer G2CCD je vhodných právě při řešení náročných vědeckých úloh. Kamery vynikají značnou citlivostí se špič­kovou kvantovou účinností přesahující 85 % a současně nejnižším možným čtecím šu­mem, limitovaným pouze fyzikálními vlast­nostmi CCD. Na minimalizaci šumu CCD má zásadní podíl jeho efektivní a tiché chla­zení až na 50 °C pod okolní teplotu. Lineární odezva na osvětlení a velký dynamický roz­sah s šestnáctibitovou digitalizací umožňují použít kamery G2 v nejnáročnějších vědec­kých úlohách.
 

Přehledové a panoramatické kamerové systémy

Panoramatické kamery DataCam vykazují mnoho unikátních vlastností. Jediná kamera může zobrazovat v reálném čase živé pano­rama v rozsahu celé polosféry okolního pro­storu (obr. 4). Epipolární geometrie obrazu je řešena v grafickém procesoru (GPU), aniž za­těžuje připojený počítač. Programové vyba­vení umožňuje virtuální pohyb kamery v po­losférickém obrazovém poli.
 
Vícekamerový panoramatický systém (obr. 5) zobrazuje v reálném čase okolní prostor v rozsahu 360° v horizontální a 160° ve verti­kální rovině. Systém je připojen prostřednic­tvím USB, Ethernetu nebo rádiového spoje.
 

Programové vybavení

Pro úspěch koncepce přenosu dat ve formě RAW do počítače je velmi důležité programo­vé vybavení pro CPU i GPU počítačů, které dokáže v reálném čase zpracovat proud dat z kamer v takové kvalitě, jaká je dosud ob­vyklá pouze u obrazových konvertorů RAW zapojených off-line. A právě takové možnosti poskytují moderní programovatelné grafické procesory, které jsou již docela běžnou sou­částí současných počítačů.
 
Výsledná kvalita obrazu je ovlivněna vše­mi kroky snímání a zpracování obrazu. I ta­ková elementární úprava obrazu, kterou je např. interpolace barevné Bayerovy masky, může mít dosti zásadní vliv. Pro GPU není problém ani značná výpočetní náročnost ví­ceprůchodových adaptivních algoritmů barev­ných interpolací. Díky grafickým procesorům je možné v reálném čase provádět operace, které dříve nebyly v potřebné kvalitě realizo­vatelné. Příkladem může být geometrická ka­librace obrazového pole využívající bikubické interpolace s vysoce subpixelovou přesností výsledného obrazu. Také např. výpočetně ná­ročné adaptivní šumové filtry, detektory hran i morfologické filtry s mnoha aproximační­mi kroky jsou řešeny v reálném čase bez vý­znamného zatížení počítače.
 
Vše, co bylo dosud zmíněno, je určeno stále jen k pořízení a předzpracování obrazu. Na vrcholu pyramidy systémů strojového vidě­ní je programové vybavení pro vývoj a provo­zování vlastních inspekčních úloh. Dnes jsou stále častěji kamerové systémy začleňovány do komplexních podnikových infor­mačních systémů pracujících v reál­ném čase a obvykle již nestačí jeden výstupní logický signál indikující dobrý či špatný výrobek. Programo­vé vybavení pro analýzu obrazu pro kamery DataCam je navrženo jako vývojový i tzv. runtime systém bě­žící v prostředí Control Web (obr. 6). Toto prostředí pro rychlý vývoj aplikačních programů je velmi mo­hutné a disponuje velkým výběrem okamžitě použitelných komponent pro téměř libovolnou oblast oborů průmyslové automatizace a infor­mační techniky. Inspekční software využívá všechny možnosti systému Control Web, obraz z kamer je au­tomaticky k dispozici ve všech bo­dech počítačové sítě a vlastní zpra­cování obrazu může libovolně in­teragovat s několika aplikačními programy.
 
Základem je nový virtuální pří­stroj s názvem Camera, který je možné standardními prostředky sys­tému Control Web zapojit do vyví­jené úlohy. Tento virtuální přístroj může přímo číst data z připojené kamery nebo je získávat z datových prvků rozprostřených v počítačové síti. Vývojové prostředí pro konfi­guraci analýzy obrazu (obr. 7) je začleněno do standardního inspekč­ního systému přístroje. Tvorba apli­kačního programu je tedy v rámci vývojového prostředí systému Con­trol Web přímočará a snadná.
 
Celý systém kamer DataCam je včetně programového vybavení navržen tak, aby usnadnil integraci obrazu z kamer do provozu a maximálně zjednodušoval a zkracoval cestu od zadání k realizaci kamerových inspekčních úloh. Pro řešitele zakázkových systémů prů­myslové automatizace je možností pro snad­ný a cenově velmi přívětivý vstup do boha­tého světa strojového vidění.
Roman Cagaš,
Moravské přístroje a. s.
 
Obr. 1. Průmyslová digitální kamera Data­Cam poskytující syrová (RAW) data
Obr. 2. Pro dlouhé expozice může být zajíma­vá možnost aktivního chlazení
Obr. 3. Vědecká kamera řady G2
Obr. 4. Kruhový panoramatický obraz
Obr. 5. Panoramatická hlava se čtyřmi ka­merami
Obr. 6. Grafický editor analýzy obrazu je součástí vývo­jového prostředí systému Control Web
Obr. 7. Během interaktivního vývoje jsou zobrazovány výsledky jednotlivých kroků analýzy obrazu
Obr. 8. Tvar hledaného výrobku (a) a přesné nalezení jeho pozice i při částečném zakrytí jeho obrysu (b)