Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
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)