Aktuální vydání

celé číslo

06

2018

Systémy strojového vidění

Výrobní a montážní linky

celé číslo

Když na barvách záleží

Článek popisuje tříčipové barevné kamery a představuje novou průmyslovou kameru JAI AP-3200T-USB, určenou pro strojové vidění a mikroskopii. 

Ostřejší obraz s vyšším rozlišením

Výhody tříčipové kamery nejlépe ilustruje srovnání s klasickým barevným čipem. Kaž­dý obrazový čip v kameře je tvořen maticí fotocitlivých buněk (pixelů). Ty jsou u barevné kamery překryty spektrálními filtry, které jsou uspořádány do tzv. Bayerovy masky. Na obr. 1 je vlevo vidět, že každý pixel je potom citlivý pouze na část barevného spektra. Aby tedy bylo možné získat ucelenou barevnou informaci v každém pixelu, je třeba chybějící barevné složky interpolovat z okolních pixelů. Tento způsob však vnáší do obrazu jednak nepřesnost zobrazení, jednak falešné barevné artefakty, viditelné zejména na hranách a ostrých přechodech. Při snímání pruhů a vzorů pak může vznikat efekt moaré.

Oproti tomu tříčipové kamery fungují tak, že obsahují optický prvek, který rozděluje přicházející světlo na tři barevné složky: R-G-B, přičemž každá složka je zachycena jedním čipem (obr. 1 vpravo). Čipy jsou zarovnány a kalibrovány tak přesně, že stejný pixel každého čipu snímá totéž místo. Díky tomu jsou známy všechny tři barevné složky v každém pixelu a nemusí se interpolovat. To má velmi pozitivní vliv na přesnost zobrazení (obr. 2). 

Lepší rozlišení barevných odstínů

Tříčipové kamery (3CMOS) se používají i v profesionálních videokamerách mj. pro mnohem lepší interpretaci barevných odstínů, než jaké lze dosáhnout u jednočipových kamer. Díky použití přesných dichroických filtrů v optickém rozdělovači jsou od sebe jednotlivé barevné složky odděleny přesněji a s menším přesahem (tzv. crosstalk) než u jednočipových kamer. Výsledkem je přirozeněji vypadající obraz s jasnějšími barvami, viz obr. 3. Tato vlastnost je mimořádně důležitá při vizuálních kontrolách potisků a barevných laků nebo v mikroskopii a materiálovém inženýrství. Nové moderní čipy CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Sony Pregius mají navíc výrazně menší šum a tím i lepší dynamický rozsah než předchozí generace s čipy CCD (Charge-Coupled Device). Toho lze využít u úloh s velkým rozsahem jasu v obraze. 

Pokročilé funkce a kompatibilita

3CMOS kamera JAI AP-3200T-USB (obr. 4; http://kamery.atesystem.cz) přináší pokročilé zobrazení v úlohách, kde je požadováno správné odlišení barevných odstínů. Například dovoluje nastavit výstupní barevné složky podle barevného prostoru sRGB nebo AdobeRGB. Dále má mnoho nových funkcí, které umožňují vývojářům větší kontrolu nad řízením kamery a kvalitou obrazu, jako např. zvýšení ostrosti obrazu nebo sekvenční snímání.

Kamera JAI AP-3200T-USB je určena pro rozhraní USB 3.1. Splňuje mezinárodní technické standardy GenICam a USB3 Vision, takže je univerzálně použitelná v jakémkoliv systému pro automatickou vizuální inspekci. Pro integraci kamery do vlastní aplikace výrobce nabízí zdarma vývojový software SDK (Software Development Kit) pro nejrozšířenější programovací jazyky.

Ing. Tomáš Gřeš (tg@atesystem.cz)

Obr. 1. Srovnání principu snímání barev jednočipovou kamerou s Bayerovou maskou (vlevo) a tříčipovou kamerou (vpravo)

Obr. 2. Tříčipová kamera (vpravo) výrazně eliminuje efekt moaré a zpřesňuje zobrazení hran

Obr. 3. Srovnání obrazu z jednočipové kamery (vlevo) a 3CMOS (vpravo)

Obr. 4. Průmyslová kamera JAI AP-3200T-USB

 

Bryce E. Bayer

Bryce E. Bayer (1929–2012) byl americký vědec, vývojář a vynálezce. Jeho celoživotní kariéra byla spjata s firmou Eastman Kodak – nastoupil do ní v roce 1951 a do důchodu odešel v roce 1986. Věnoval se výzkumu a vývoji v oblasti aplikované matematiky, statistiky a informatiky.

V roce 1975 si nechal patentovat filtr s barevným vzorem, který umožnil získat barevný digitální obraz. Fotocitlivé buňky na čipu digitálního fotoaparátu totiž nejsou citlivé na barvy, ale jen na světlo a bez speciálního filtru nemohou zachytit obraz barevně. Bayerův filtr má vzor složený z políček tří barev, zelených, červených a modrých, přičemž zelených je dvakrát více než červených a modrých (obr. 1). Je tomu tak proto, že lidské oko je na zelenou barvu nejcitlivější. Filtr s barevnou maskou umožnil vznik prvních barevných digitálních fotoaparátů a kamer.

Kromě tohoto objevu pracoval B. E. Bayer také na algoritmech pro komprimování a ukládání obrazů nebo na algoritmech umožňujících matematickými postupy i horším digitálním fotoaparátem získat kvalitní obraz.

(Bk)