Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Digitální kamery pro systémy strojového vidění

Přehled trhu digitálních kamer pro strojové vidění uvedený na stranách 28 až 29 před­stavuje v tabulkové formě přístroje některých výrobců a jejich základní parametry. Tento článek vysvětluje základní principy fungování kamer a význam parametrů uve­dených v tabulce.
 
Kamera a osvětlení jsou základní a nej­důležitější prvky sestavy strojového vidění. Kamera vytváří dvojrozměrný jasový obraz trojrozměrné reality, převádí jej na měronos­né veličiny, které dnes poskytuje již převáž­ně v digitální podobě (digitalizovaný obraz) na příslušném rozhraní.
 
V digitální kameře lze vždy najít tyto čás­ti (obr. 1):
  • snímač obrazu,
  • obvody pro obsluhu snímače obrazu,
  • obvody pro vytvoření rozhraní k následu­jícím zařízením (komunikační interface),
  • pouzdro a nezbytné mechanické součásti pro připojení optické soustavy (objektivu),
  • softwarové vybavení.

Snímač obrazu

 
Snímač obrazu je matice světlocitlivých buněk, které se skládají z fotodiody a kon­denzátoru. Po dobu osvětlení se v kondenzátoru akumuluje elektrický náboj úměrný osvětlení buňky a době akumulace. Výrobní postup a způsob sběru náboje z buněk určují typ a vlastnosti snímače obrazu.
 
Pro použití systémů strojového vidění v praxi většinou stačí znát základní vlast­nosti dvou nejužívanějších snímačů obrazu nazývaných CCD a CMOS.
 
Snímač obrazu CCD vysouvá náboj aku­mulovaný ve světlocitlivých buňkách pomo­cí soustavy analogových posuvných registrů. Výstupem je tedy analogový signál, který ří­dicí obvody kamery doplní informací potřeb­nou k synchronizaci. U kamer pro strojové vidění se dnes již nepoužívá prokládané řád­kování (interlaced), známé z televizní normy. Současná technologie progressive scan vy­souvá náboj akumulovaný v buňkách všech obrazových řádků postupně za sebou.
 
Snímače CCD jsou poměrně nákladné a navíc k činnosti potřebují několik různých napájecích napětí. Kromě toho je nutné jejich analogový videosignál digitalizovat v násled­ných obvodech, v současné době většinou vy­robených technologií CMOS. Proto se objevi­la myšlenka integrovat snímač obrazu a A/D převodník na jednom čipu vyrobeném tech­nologií CMOS.
 
Snímače CMOS tedy poskytují již digi­talizovaný signál, což umožňuje zjednodušit konstrukci kamery. Odlišný způsob vybírání náboje z obrazových buněk také dovoluje vy­bírat obraz jen z části plochy snímače obrazu (postup zvaný subscan). Má však i určité ne­výhody (viz odstavec Závěrka a rychlost sní­mání). Navíc snímače CMOS stále ještě ne­jsou schopny poskytnout tak kvalitní obraz jako snímače CCD. Proto je výrobci montují do kamer, které se většinou nacházejí na „lev­nějším“ konci produktové řady.
 

Velikost snímače a matice světlocitlivých buněk

 

Černobílé kamery

Velikost snímače, počet světlocitlivých buněk a jejich velikost jsou faktory, které ur­čují rozlišovací schopnost kamery (camera resolution). Velikost obrazového snímače se udává v palcích. Tato hodnota však není žád­ným skutečným rozměrem snímače, ale udává průměr skleněné trubice odpovídající ekviva­lentní historické snímací elektronce. Skutečné rozměry snímací plochy nejužívanějších ob­razových snímačů v milimetrech ukazuje obr. 2. Je z něj patrný i skutečný poměr velikos­tí snímačů. Poměr stran snímačů uvedených na obrázku je 4 : 3, lze však najít i kamery se snímačem obrazu nestandardní velikosti.
 
Počet světlocitlivých buněk se udává jako velikost matice. Rozlišovací schopnost kame­ry se nejjednodušeji určí jako dvojnásobná vzdálenost středů fotocitlivých buněk (zjed­nodušeně dvojnásobek rozměru světlocitlivé buňky). Dvojnásobek proto, že se do oddě­lených buněk nabírají vzorky obrazu a musí být splněn vzorkovací teorém. Jednoduchým výpočtem lze rozlišovací schopnost kamery zjistit i z rozměrů snímače a velikosti matice.
 
Údaje o rozlišení a rozměru světlocitli­vé buňky v předcházejícím odstavci se týka­jí černobílého snímače. K řešení převažující většiny úloh strojového vidění černobílý sní­mač zcela vyhoví.
 

Barevné kamery

Barevný obraz vzniká kombinací tří jaso­vých obrazů v základních barvách. V běžných kamerách se k jejich vytvoření používá sní­mač obrazu, na jehož světlocitlivých buňkách jsou naneseny barevné filtry. Barevný snímač tedy potřebuje pro údaje o jednom obrazo­vém bodu tři světlocitlivé buňky, pro každou barevnou složku dopadajícího světla jednu. Tři buňky zaberou více místa než jediná v černobílé kame­ře, navíc je třeba počítat s tím, že velikost náhradní světlocit­livé buňky poskytující barev­nou informaci je větší než buň­ka černobílého snímače. Dů­sledkem toho je, že barevná kamera má při stejné velikos­ti snímače obrazu menší mati­ci a nižší rozlišení než černo­bílá. Mimo to, protože buňky pro jednotlivé barvy na čipu jsou vzájemně posunuty, jsou proti sobě posunuty i jednotli­vé barevné složky digitalizova­ného obrazu. Pro řešení úloh, kde je posun barevných složek zásadním problémem, existují složité a nákladné kamery se třemi snímači a optickým roz­kladem obrazu.
 

Závěrka a rychlost snímání

 
Elektronická závěrka na rozdíl od mechanické závěrky filmové kamery neřídí množství světla, které má bě­hem snímku dopadnout na snímač. Snímač je osvětlen nepřetržitě a elektronická závěr­ka pouze řídí dobu akumulace náboje. Sní­mače CCD zaručují jednotnou dobu akumu­lace všech buněk snímače díky synchronnímu přesunu akumulovaného náboje ze světlocit­livých buněk do analogového posuvného re­gistru. Elektronická závěrka snímače CCD je tedy vždy typu global shutter – centrální závěrka. Název je převzat z fotografické ter­minologie, kdy centrální závěrka uzavírající přístup světla v ohnisku objektivu rovněž za­ručovala, že světlo bude dopadat na celou plo­chu filmového políčka stejnou dobu.
 
U standardního snímače CMOS, kde je náboj z buňky vybírán postupně pomocí ad­resace jednotlivých buněk, je z principu kaž­dý řádek exponován v jiném okamžiku. Tím vzniká efekt zvaný rolling shutter (štěrbino­vé závěrky), který připomíná expozici filmu pomocí navíjecí plátěné závěrky starých zrca­dlovek. Jeho důsledkem je, že při pohybu ob­jektu v době expozice se původně svislé hra­ny změní v šikmé. Moderní snímače CMOS již také využívají centrální závěrku, ale pro­tože pak světlocitlivé buňky vyžadují složi­tější technologii výroby, jsou dražší.
 
Elektronické závěrky dovolují používat i velmi krátké doby expozice. Zdálo by se tedy, že každou digitální kamerou lze dosáhnout velké rychlosti snímání (snímek/s). Problémem však je značně velký tok dat, kte­rý při velkých rychlostech snímání dosahu­je extrémních hodnot. Proto je pro rychlost snímání kamery rozhodující rychlost komu­nikačního rozhraní.
 

Komunikační rozhraní

 
Komunikační rozhraní zprostředkovává přenos obrazových dat mezi kamerou a sys­témem strojového vidění. Na komunikační rychlosti závisí hlavně využitelná maximál­ní rychlost snímání kamery; je proto účelné nasnímat jen tolik dat, kolik je možné z ka­mery předat. Navíc ve většině případů nemo­hou být obrazová data redukována kompresí, protože by při analýze rekonstruovaného ob­razu vlivem nedokonalé rekonstrukce vzni­kaly chyby. Rozhraní, která kamery používa­jí, vycházejí většinou z komerčních rozhraní používaných u PC. Nejobvyklejší z nich jsou popsány v následujících odstavcích.
 

Camera Link

Camera Link je rozhraní, které bylo vyvi­nuto přímo pro potřeby přenosu obrazu. Pou­žívá sérioparalelní přenos dat. Nejjednodušší konfigurace Base má k dispozici tři multiple­xované osmibitové paralelní kanály (obvykle použité pro RGB), příslušné kanály pro řídi­cí a synchronizační signály i pomocné séri­ové rozhraní pro nastavení kamery. Existuje i konfigurace Medium a Full s dvojnásobnou a trojnásobnou kapacitou přenosu dat. Teore­tická komunikační rychlost rozhraní CameraLink je 2,38 Gb/s, odpovídající šířce dato­vého kanálu 297,5 MB/s.
 
CameraLink využívá speciální kabely a konektory (obr. 3a).
 
I přes konkurenci gigabitového Etherne­tu nebo vysokorychlostního USB si Camera­Link stále udržuje významné místo mezi da­tovými rozhraními pro kamery. Nevýhodou je nutnost instalovat komunikační adaptér, neboť PC obvykle nemá CameraLink mezi standardními rozhraními.
 

IEEE 1394

Rozhraní IEEE 1394 je známo také pod komerčním pojmenování FireWire, zavede­ným firmou Apple. Jde o sériové rozhraní, jehož nejznámější modifikace jsou:
  • IEEE 1394a do rychlosti 400 Mb/s,
  • IEEE 1394b do rychlosti 800 Mb/s.
Toto rozhraní (obr. 3b) je dnes rozšířeno hlavně v komerčních videokamerách. V prů­myslu se od něj spíše upouští, je nahrazová­no vysokorychlostními modifikacemi USB.
 

Vysokorychlostní Ethernet

Označením GigE, vysokorychlostní Ether­net, IEEE 802.3ab (varianta pro metalické vedení) je uváděn gigabitový Ethernet, který pracuje na stejných principech jako standard­ní Ethernet. Pro přenos obrazových dat byl vyvinut široce akceptovaný přenosový stan­dard Gige Vision (viz dále). Výhodou je, že toto rozhraní mají běžně počítače PC a není třeba kupovat a instalovat žádný dodatečný hardware (obr. 3c).
 

USB

USB je sériové rozhraní, původně zamýš­lené jako alternativa RS-232 pro připojová­ní lokálních zařízení k PC. Využít USB pro přenos obrazových dat bylo možné až po za­vedení standardu USB 2 s nominální přeno­sovou rychlostí 480 Mb/s. I s tímto standar­dem je rozhraní USB (obr. 3d) vhodné jen pro menší rychlosti snímání. Další jeho nevýho­dou je krátký kabel, který by pro garantova­nou funkci neměl být delší než 5 m. Problé­mem někdy bývá i kompatibilita softwaru PC s řadičem USB v kameře. Přesto se rozhraní USB používá pro průmyslové kamery stále častěji a tento trend určitě zesílí po rozšíře­ní standardu USB 3, který komerčně startuje v letošním roce.
 

Digitální vstupy a výstupy

 
Ve většině případů obvykle postačí, aby kamera měla digitální vstup pro externí spuš­tění snímku, který se využije v případě, že je nutné pořídit obrázek na základě signálu z či­dla polohy. Obvyklý je i výstup pro spuště­ní synchronizovaného zábleskového světla.
 

Napájení

 
U kamery pro strojové vidění se očekává napájecí napětí obvyklé v řídicích systémech, zpravidla 24 V. Má-li kamera komunikační rozhraní Ethernet, může být po ethernetovém kabelu i napájena (PoE – Power over Ether­net). Průmyslové kamery pro strojové vidění však používají gigabitový Ethernet, u které­ho je distribuce napájení prostřednictvím ko­munikačního kabelu technicky komplikova­nější než v případě připojení 10/100 T-Base; proto se tato možnost zatím příliš nevyužívá. Jestliže by bylo výhodné PoE využít, je tře­ba zajistit, aby tuto funkci umožňoval ether­netový přepínač (switch), ke kterému je ka­mera připojena.
 

Pouzdro a připojení optické soustavy

 
Nejvíce kamer je dodáváno v běžném pouzdře s různým stupněm krytí, podle zamýšle­ného prostředí, ve kterém má být kamera instalována. Ně­kteří výrobci nabízejí dvě va­rianty pouzdra, s objektivem v ose delšího rozměru pouz­dra – přímé provedení, nebo tzv. pravoúhlé provedení, kdy je osa objektivu na delší stranu kolmá. Tako­vé provedení je někdy jedinou možností, jak namontovat kameru do stísněného prostoru, např. ve výrobním stroji (obr. 4).
 
Většinu kamer lze také objednat jako tzv. kit bez pouzdra a úplně ji integrovat do zá­kaznického zařízení. Důležité je však povšim­nout si také mechanického připojení (mon­táže) objektivu k tělu kamery. Kamery s či­pem velikosti do 1" mají většinou uchycení označované jako C-mount, což je upevňova­cí závit o průměru 1". Lze se však setkat i se starším připojením CS-mount. Zrádné je, že objektivy určené pro montáž C a CS není snadné od sebe rozeznat. Rozdíl je pouze ve vzdálenosti osazení na konci upevňovací­ho závitu od ohniska obrazu. Důležité je vě­dět, že objektiv C-mount lze na kameru pro CS-mount upevnit při použití distanční pod­ložky o tloušťce 5 mm. Objektiv CS-mount na kameře určené pro objektiv C-mount však nelze zaostřit.
 
Větší rozměry čipů vyžadují i větší prů­měr otvoru v kameře. Lze se setkat i s další­mi typy uchycení, např. různými typy bajo­netových zámků využívaných u fotoaparátů.
 

Softwarové vybavení

 

SDK

SDK (Software Development Kit) umož­ňuje integrovat komunikační rozhraní do apli­kačních programů v některém z běžných programovacích jazyků implementovaném ve specifickém operačním systému. Vybave­ní kamery tímto softwarem a jeho funkce jsou zajímavé hlavně pro programátory uživatel­ských aplikací, kteří chtějí obsluhovat funk­ce kamery na co nejnižší úrovni referenčního komunikačního modelu ISO/OSI.
 

Standardy strojového vidění

Na standardy strojového vidění je možné pohlížet jako na protokoly aplikační vrstvy referenčního komunikačního modelu ISO/OSI. Samotná kompatibilita rozhraní Came­ra Link nebo Ethernet nezaručí, že aplikace bude s kamerou bez problémů komunikovat. Proto profesní asociace výrobců komponent strojového vidění (EMVA v Evropě, AIA v USA) přijaly normy určující např. formát datového toku při přenosu obrazu, formát po­velů pro kameru a další předpisy umožňující výrobcům softwaru sjednotit rozhraní apli­kační vrstvy.
 
V širším měřítku se ujaly dva standardy: GenICam, který je spjat hlavně s rozhraním Camera Link, a GigE vision, spojený s giga­bitovým Ethernetem. Pro oba tyto standardy jsou k dispozici softwarové knihovny usnad­ňující integraci kamery do uživatelské apli­kace, opět v závislosti na operačním systému a programovacím jazyku.
 

Knihovny pro vývojová prostředí

Mnoho výrobců nabízí vývojová prostře­dí obsahující nástroje, které zjednodušují analýzu obrazu a přímo poskytují výsledky obvyklých operací používaných při analýze obrazu v aplikacích strojového vidění. Mezi nejrozšířenější patří např. Halcon nebo Lab­View. V případě, že integrátor aplikace ně­které z těchto vývojových prostředí využívá, je výhodné, když ke kameře výrobce posky­tuje i knihovny pro začlenění kamery do vý­vojových nástrojů.
Ing. Otto Havle, CSc., MBA
 
Obr. 1. Blokové schéma digitální kamery
Obr. 2. Rozměry snímačů obrazu
Obr. 3. Příklady konektorů komunikačních rozhraní pro kamery: a) Camera Link, b) IEEE 1394 (FireWire), c) Ethernet, d) USB
Obr. 4. Pouzdro kamery v přímé a pravoúhlé variantě