Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Strojové vidění III: Kamery a jejich části

Otto Havle
V tomto dílu seriálu je popsána funkce kamer používaných v systémech strojového vidění. Článek detailně vysvětluje snímání s využitím snímačů obrazu, objasňuje funkci optické soustavy a přináší i informace z praxe, které usnadní výběr vhodné kamery a objektivu pro danou úlohu strojového vidění.
 

Kamera pro strojové vidění

Kamerou se v tomto příspěvku rozumí zařízení, které vytváří dvojrozměrný jasový obraz trojrozměrné reality a ten převádí na měronosné veličiny. Na příslušném rozhraní vysílá kamera tyto veličiny v dohodnuté podobě, buď jako analogový signál (videosignál), nebo digitální signál (digitalizovaný obraz). Kamera může být v systému pro strojové vidění přímo vestavěna, což je obvyklé u videosnímačů nebo inteligentních kamer, popř. může být pouze připojena – to se využívá u PC systémů pro strojové vidění.
 
V kameře lze vždy najít tyto části:
  • snímač obrazu,
  • elektrické obvody pro obsluhu snímače obrazu a pro vytvoření rozhraní k následujícím zařízením,
  • optickou soustavu, která promítne obraz trojrozměrného snímaného objektu na snímač obrazu,
  • pouzdro a nezbytné mechanické součásti.

Snímač obrazu

Snímač obrazu je matice polovodičových buněk citlivých na světlo, v nichž se po dobu expozice akumuluje elektrický náboj úměrný osvětlení buňky. Typ a vlastnosti snímače obrazu jsou dány jednak technologií jeho výroby, jednak způsobem sběru náboje z buněk.
 
Pro použití systémů strojového vidění v praxi většinou stačí znát základní vlastnosti dvou nejpoužívanějších snímačů obrazu, pro které se vžily zkratky CCD (Charged Coupled Device) a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
 
Snímače obrazu CCD vysouvá náboj akumulovaný ve světlocitlivých buňkách pomocí soustavy analogových posuvných registrů. Výstupem je tedy analogový signál, který řídicí obvody kamery doplní potřebnou informací pro synchronizaci. Podle způsobu snímání řádků se kamery CCD dělí na kamery podle normy pro televizní vysílání s prokládaným řádkováním (interlaced) a kamery pracující metodou progressive scan. Kamera s prokládaným řádkováním poskytuje dva půlsnímky a ve strojovém vidění se téměř nepoužívá. Při snímání objektu v pohybu totiž mohou být svislé linie roztřepené, protože se stejný systém registrů používá pro sudé i liché řádky, a ty se tedy musí snímat v různých okamžicích. Kamera pracující metodou progressive scan vysouvá náboj akumulovaný v buňkách všech obrazových řádků v jednom okamžiku.
 
Technologie CCD je poměrně nákladná a snímače potřebují k činnosti několik různých napájecích napětí. Navíc je nutné jejich analogový videosignál digitalizovat v následných obvodech, v současné době většinou vyrobených technologií CMOS. Proto se objevila myšlenka integrovat snímač a A/D převodník na jednom čipu vyrobeném technologií CMOS.
 
Snímače CMOS tedy poskytují již digitalizovaný signál, což dovoluje zjednodušit konstrukci kamery. Odlišný způsob vybírání náboje z obrazových buněk také umožňuje vybírat obraz jen z části plochy snímače obrazu (tzv. subscan). Má to však i své nevýhody. Levnější snímače CMOS pracující metodou rolling shutter mohou zobrazit hrany pohybujícího se objektu kolmé k řádkům snímače jako šikmé. Tuto vadu nemá snímač CMOS s tzv. global shutter, je ovšem dražší. Navíc stále ještě platí, že snímače CMOS zatím nejsou schopny poskytnout tak kvalitní obraz jako CCD. Proto
je výrobci montují do levnějších kamer ze své nabídky.
 
Zvláštní kategorii tvoří řádkové kamery (line scan camera), u kterých je matice světlocitlivých buněk redukována na jediný řádek. Používají se pro speciální účely a nebo tam, kde je rozklad obrazu na řádky snímaného zařízení. Většinou jde o snímání povrchu posouvaného nebo otáčejícího se objektu.
 
Velikost snímače a matice světlocitlivých buněk Velikost snímače, počet světlocitlivých buněk a jejich velikost jsou faktory, které určují rozlišovací schopnost kamery (camera resolution).
 
Velikost snímače obrazu se udává v palcích. Toto číslo však ve skutečnosti nevyjadřuje žádný rozměr snímače, jde o průměr skleněné trubice odpovídající ekvivalentní historické snímací elektronce. Skutečné rozměry snímací plochy nejpoužívanějších snímačů obrazu v milimetrech ukazuje obr. 1. Je zde patrný i skutečný poměr velikostí snímačů. Poměr stran všech snímačů na obrázku je 4 : 3, lze se však setkat i s kamerami se snímačem obrazu nestandardní velikosti.
 
Počet světlocitlivých buněk se udává jako velikost matice. Rozlišovací schopnost kamery se nejsnadněji určí jako dvojnásobná vzdálenost středu fotocitlivých buněk (zjednodušeně dvojnásobek rozměru světlocitlivé buňky). Dvojnásobek proto, že se do oddělených buněk nabírají vzorky obrazu a musí být splněn vzorkovací teorém (vysvětlení ve slovníčku pojmů a na obr. 2). 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 snímače černobílého obrazu. Pro řešení převažující většiny úloh strojového vidění takovýto snímač zcela vyhoví. Snímač barevného obrazu 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; je nutné počítat s tím, že velikost náhradní světlocitlivé buňky poskytující informaci o barvně je větší než buňka snímače černobílého obrazu. Důsledkem toho má „barevná“ kamera při stejné velikosti snímače obrazu menší matici a nižší rozlišení než „černobílá“. Navíc, protože jsou buňky pro jednotlivé barvy na čipu vzájemně posunuty, jsou proti sobě posunuty i jednotlivé barevné složky digitalizovaného obrazu. Pro úlohy, kde je posun barevných složek zásadním problémem, existují složité a nákladné kamery s optickou korekcí geometrického posunu barevných složek obrazu.
 

Elektrické obvody kamery

Elektronika kamery musí uživateli umožnit nastavit kameru tak, aby množství náboje akumulovaného ve světlocitlivých buňkách (v tomto případě jde o měronosnou veličinu) optimálně reprezentovalo informaci představenou dvourozměrným jasovým obrazem snímaného objektu. Inspekční software obvykle umožňuje:
  • nastavit celkový jas (offset),
  • nastavit kontrast či zesílení (gain),
  • nastavit závěrku, tedy dobu akumulace náboje (shutter).
Kamera určená pro strojové vidění musí poskytovat možnost synchronizovat sejmutí snímku s časováním výrobní operace. Proto bývá ve spolupráci s inspekčním programem vybavena těmito několika režimy spouštění:
  • volné pořizování řady snímků frekvencí danou dobou, za kterou je možné snímek pořídit a zobrazit v okně inspekčního programu; to se využívá při operacích zacílení kamery, ostření apod.,
  • řada snímků pořizovaná v pravidelných intervalech s nastavitelnou frekvencí,
  • jednotlivě pořizované snímky na základě povelu přijatého komunikačním rozhraním nebo digitálním vstupem.

Optická soustava

Optická soustava, kterou je ve většině případů kamerový objektiv (lenses) spolu s vhodným osvětlením, má za úkol vytvořit na snímači obrazu takový dvojrozměrný obraz třírozměrné skutečnosti, který obsahuje vyhodnotitelnou informaci potřebnou pro vyřešení úlohy strojového vidění.
 
Na obr. 3 jsou ukázány základní veličiny při snímání trojrozměrného objektu kamerou. V tab. 1 jsou uvedeny ještě další veličiny, spolu s používanými anglickými termíny a zkratkami, které se vyskytují v úlohách geometrické optiky. Optická soustava vytváří obraz, který by měl, vzhledem k požadavkům úlohy, splňovat tyto parametry:
  • dostatečné rozlišení,
  • vhodný kontrast,
  • dostatečnou hloubku ostrosti,
  • přijatelné geometrické zkreslení,
  • přijatelné perspektivní zkreslení.
Je však třeba si uvědomit, že tyto parametry nejsou nezávislé a jsou ovlivňovány zaostřením a zacloněním objektivu. V praxi je navíc optimální volba optické soustavy omezována dalšími okolnostmi. Kameru mnohdy nelze umístit do optimální snímací vzdálenosti od snímaného objektu. Velmi často, zvláště v úloze měření, nelze splnit extrémní požadavky vysokého rozlišení ve velkém zorném poli. Kvalifikovaný návrh a nastavení optické soustavy vyžadují detailní znalosti principů geometrické a často i fyzikální optiky a podrobné znalosti parametrů použitého objektivu. Vždy však platí, že na objektivy používané pro strojové vidění jsou kladeny mnohem větší požadavky než na objektivy používané např. v kamerách pro dohledové systémy. Týká se to hlavně rozlišení a kontrastu, které jsou v méně kvalitních objektivech snižovány vinětací a nepřiměřenou vadou barvy nebo geometrického zkreslení způsobeného aberací. Pro strojové vidění jsou nevhodné také objektivy s proměnnou ohniskovou vzdáleností (zoom), u nichž je již z konstrukčních důvodů nemožné dosáhnout stability parametrů v celém rozsahu nastavení ohniskové vzdálenosti. Zvláštní postavení mezi chybami optické soustavy má perspektivní zkreslení obrazu. Vždy se projeví při promítání standardním objektivem. Nepříjemné je především v úlohách měření, neboť velikost obrazu objektu na snímači obrazu se mění podle vzdálenosti objektu od kamery. Perspektivní zkreslení nemá tzv. telecentrický objektiv. Z obr. 4 je zřejmé, jak zobrazuje čtyři svislé válce běžný a telecentrický objektiv. Charakteristickou vlastností telecentrického objektivu je, že průměr jeho vstupní čočky je stejný jako úhlopříčka zorného pole (její velikost se z principu telecentricity vlivem snímací vzdálenosti nemění). Pro měření ve větším zorném poli je zapotřebí rozměrný a nákladný objektiv se vstupní čočkou velkého průměru. Na obr. 5 je ukázáno použití takového objektivu při měření strojní součásti.
 
Na jednoduchém příkladu lze demonstrovat, jaké hodnoty parametrů je možné v praxi očekávat:
 
Na vzdálenost WD = 100 mm je třeba snímat objekt o průměru 48 mm. Použije se kamera s půlpalcovým snímačem obrazu o rozměrech 6,4 × 4,8 mm a s maticí 640 × 480 buněk. Aby byl objekt sejmut celý, musí být jeho obraz v rovině snímače obrazu menší než kratší strana snímače. Pro potřebné zvětšení musí platit PMAG ≤ 0,1. K výpočtu ohniskové vzdálenosti lze použít některý z kalkulátorů, pro tento ilustrační příklad stačí vypočítat potřebnou ohniskovou vzdálenost jako součin WD × PMAG. Je tedy zapotřebí objektiv o ohniskové vzdálenosti 10 mm. Rozměr světlocitlivé buňky obrazového snímače je 10 × 10 μm, rozlišovací schopnost kamery je podle definice 20 μm, rozlišení v rovině objektu bude 0,2 mm. Zvětšení PMAG = 0,1 sice znamená, že čtverec v rovině objektu o velikosti 0,1 × 0,1 mm se promítne právě na plochu jedné světlocitlivé buňky o velikosti 10 × 10 μm, aby však byla splněna podmínka vzorkovacího teorému, je nutné uvažovat poloviční rozlišení.
 
Tato vypočítaná hodnota rozlišení v rovině objektu ještě neznamená, že měření rozměrů kamerou musí být nutně zatíženo chybou stejné velikosti. Nástroje pro měření v obraze používají princip tzv. subpixelového rozlišení. Je to výpočet prováděný softwarem, který umožní stanovit polohu hrany v obraze s chybou až 5 % velikosti světlocitlivé buňky. Dosažitelná chyba stanovení polohy hrany objektu pak může být i čtyřicetkrát menší, ve zmiňovaném případě tedy 5 μm. Subpixelové rozlišení využívá teoretický model popisující, jaké by měly být velikosti akumulovaného náboje v buňkách v oblasti, kam je na snímač obrazu standardní optickou soustavou promítnuta hrana objektu. Porovnáním tohoto modelu se skutečnými hodnotami náboje lze s použitím matematické statistiky stanovit polohu hrany s řádově menší chybou, než je rozlišení kamery. Pro úspěšné a opakovatelné použití subpixelového rozlišení je však nutné splnit mnoho podmínek ohledně instalace kamery a osvětlení.
 
Na závěr ještě jedno praktické upozornění. Objektiv je nutné volit také podle velikosti úhlopříčky snímače obrazu. Zvláště používá-li se snímač větší velikosti, je třeba se ujistit o tom, že objektiv promítne nezkreslený obraz na celou plochu snímače obrazu.
 

Mechanické části kamery

Pouzdro a mechanické provedení kamery jsou důležité spíše z hlediska prostředí, ve kterém bude kamera pracovat. Důležité je však povšimnout si mechanického připojení (montáže) objektivu k tělu kamery. Existují dva typy montáže označované jako C-mount nebo CS-mount (starší a málo používané typy připojení zde nejsou uvedeny). Zrádné je, že objektivy určené pro oba typy montáže od sebe nelze snadno rozeznat.
 
Oba typy objektivů mají upevňovací závit o průměru jeden palec se stoupáním 32 závitů na palec. Rozdíl je ve vzdálenosti osazení na konci upevňovacího závitu od obrazového ohniska, tedy od aktivní plochy snímače obrazu (FFD – Flange Focal Distance), jak ukazuje obr. 6. Starší provedení CS-mount předpokládá tuto vzdálenost 17,265 mm, objektiv C-mount 12,52 mm. Objektiv C-mount lze na kameru v provedení CS-mount upevnit s použitím distanční podložky o tloušťce 5 mm. Objektiv CS-mount na kameře určené pro objektiv C-mount nelze zaostřit.
 

Pokračování

Příští díl seriálu bude pojednávat o další významné součásti systémů strojového vidění – osvětlení. Jeho řešení má totiž mnohdy zásadní vliv na výsledky navrženého systému.
Ing. Otto Havle, CSc. MBA,
 
Obr. 1. Rozměry snímačů pro snímání obrazu
Obr. 2. Vliv malé vzorkovací frekvence (shodné s rozlišením): (a) proužky padnou přesně do matice buněk – objekt se zobrazí správně, (b) proužky posunuty o polovinu šířky buňky – objekt se nezobrazí
Obr. 3. Snímání obrazu kamerou
Obr. 4. Zobrazení standardním a telecentrickým objektivem
Obr. 5 Použití telecentrického objektivu při aplikaci strojového vidění
Obr. 6. Porovnání dvou typů připojení objektivů k tělu kamery: C-mount a CS-mount
 
Tab. 1. Základní veličiny při snímání obrazu kamerou