Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Dvoučipová multispektrální kamera JAI vidí pod povrch

Při vypracovávání návrhu vizuálních inspekcí se lze často setkat s případy, kdy je možnost nahlédnout pod povrch stejně důležitá jako snímání vnějšího vzhledu objektu. Některé materiály a povrchové úpravy lze takto „prohlédnout“ prostřednictvím snímání jejich obrazu v infračervené části spektra. Někdy se podaří „zneviditelnit“ potisk materiálu, jindy vyniknou struktury pod povrchem, např. u potravin. Snímat zároveň ve viditelné a infračervené oblasti je možné např. dvěma kamerami, kdy každá je citlivá v jiné části spektra. Cenově a technicky výhodnější variantou může být použití dvoučipové multispektální kamery.
 
Již v roce 2008 uvedla firma JAI na trh dvoučipovou kameru AD-080CL s výhodným poměrem ceny k výkonu, která je schopna snímat obraz jak ve viditelné části spektra, tak v blízké infračervené oblasti, označované NIR (Near Infrared). Snímání dvoučipovou kamerou přináší nové možnosti do mnoha odvětví vizuální inspekce. Zatímco čip citlivý na barvu snímá povrch objektu viditelný lidským okem, druhý, infračervený kanál „vidí“ pod povrch. Odhalují se tak defekty a kazy, které běžně nejsou vidět nebo jsou pomocí algoritmů pro vizuální inspekci jen velmi těžko detekovatelné.
 

Princip dvoučipové kamery

 
Dvoučipové kamery principiálně vycházejí z barevných kamer 3CCD. Ty pomocí optického hranolu rozkládají přicházející světlo na červenou, modrou a zelenou složku a jednotlivé složky pak snímají samostatnými čipy. Z jednotlivých barevných složek je posléze poskládána ucelená informace o barvě.
 
Podobně i dvoučipová kamera používá postup separace viditelného a NIR světla na rozhraní dvou optických hranolů (obr. 1a). Rozhraní je pokryto tenkou vrstvou filtru. Filtr do barevného Bayerova senzoru propustí pouze viditelné světlo, kdežto pro infračervené záření se chová jako zrcadlo. Světlo větších vlnových délek je tak od této vrstvy odraženo a dopadá na druhý NIR senzor. Přesnými výrobními postupy se pak zajišťuje precizní srovnání čipů na hranách hranolu s přesností na jednu čtvrtinu velikosti obrazového bodu (pixelu).
 
Na rozdíl od kamer 3CCD, které jednotlivé barevné složky kombinují do jediného obrazu, z dvoučipové multispektrální kamery se dostane obraz ve dvou oddělených kanálech. K dispozici jsou tedy zvlášť obrazy ve viditelném a zvlášť v NIR spektru. Pro usnadnění implementace do existujících kamerových systémů se některé modely navenek chovají jako dvě samostatné kamery.
 
Kamery jsou vybavovány běžným závitem C, díky čemuž lze objektiv vybírat ze široké nabídky. Vzhledem k rozsahu vlnových délek snímaných kamerou se pro dosažení optimálního výkonu doporučuje používat objektivy určené pro kamery 3CCD, které disponují minimální chromatickou aberací (barevná vada vzniklá na optických rozhraních vlivem různého indexu lomu při různých vlnových délkách světla).
 

Výhody technologie 2CCD oproti tradičnímu řešení

 
Ačkoliv multispektrální technologie je používána již dlouho, tradiční způsoby její implementace jsou většinou drahé a jejich správné provedení pomocí více kamer není vždy jednoduché. Jedním řešením je použít dvě kamery zároveň: jednu pro viditelnou část spektra a druhou pro NIR. Toto řešení se však ukazuje jako dražší a méně spolehlivé z důvodu použití dvou kamer, dvou objektivů a kabelů. Zároveň obslužný aplikační program musí být schopen synchronizovat snímání obrazu ze dvou kamer současně. Při použití dvou kamer není možné přesně sejmout obraz v jeden okamžik z jediné pozice. Proto je velmi obtížné oba obrazy přesně porovnat.
 
Oproti tomu je použití jediné dvoučipové kamery levnější a má mnoho výhod:
  • stejné místo je snímáno v jednom okamžiku
  • odpadá problém synchronizace, – snímá se ze stejného místa – odpadá problém s odlišnou perspektivou,
  • snímané obrazy lze přesně slícovat bod na bod,
  • použití jedné kamery, jediného objektivu, jedné kabeláže,
  • úspora místa ve stroji.

Použití dvoučipových kamer

 
Díky nízké ceně a snadné implementaci jsou multispektrální dvoučipové kamery ideální pro použití v mnoha oblastech, např.:
  • inspekce a třídění potravin, jako např. ovoce, zeleniny, ořechů, masa a obilí – včetně možnosti snímat obsah pod potištěným obalem,
  • kontrola tisku a potisku obalových materiálů,
  • kontrola kvality povrchu textilií, dřeva, kovů atd.,
  • inspekce tištěných spojů a elektroniky,
  • kontrola ochranných prvků bankovek, dokladů, vstupenek, loterijních tiketů atd.
Možnost zobrazit předmět ve dvou oddělených spektrech umožňuje získat více informací pro analýzu obrazu. Příkladem může být snímání ovoce: kamera ve viditelné části spektra snímá povrch (obr. 2 vlevo) a vyhodnocuje barvu a zralost ovoce. Signál z NIR senzoru (obr. 2 vpravo) odhaluje mechanická poškození a prvotní známky hniloby nebo napadení škůdcem, které jsou pouhým okem neviditelné. Pokud je ovoce v pořádku, většina infračerveného světla se odrazí od povrchu. Jestliže některá část povrchu absorbuje více světla než jiná, je to známka odlišné struktury pod povrchem a naznačuje to podpovrchové defekty.
 

Dvoučipová kamera JAI AD-080CL

 
Jednou z kamer, která se pro tyto účely používá, je již zmíněná JAI AD-080CL se dvěma čipy o velikosti 1/3" s rozlišením 1 024 × 768 bodů a maximální frekvencí 30 snímků za sekundu (fps) na obou kanálech současně. Separační vlnová délka je 760 nm. Kamera umožňuje synchronní snímání z obou kanálů, a to buď ve volnoběžném režimu, nebo pomocí spouštění externím signálem.
 
Zesílení a expoziční parametry se nastavují pro každý kanál zvlášť. Veškerý software a vývojové prostředí SDK (pro vývoj aplikačních programů) se dodávají ke kameře zdarma. Kamera existuje ve verzi pro komunikační rozhraní CameraLink nebo Gigabit Ethernet.
 

Další možnosti multispektrálních kamer

 
V současnosti existuje několik výrobců, kteří se specializují na vícečipové kamery. V jejich sortimentu se nacházejí kamery s různým počtem čipů, které navzájem kombinují kanály červené, zelené, modré a jednoho nebo více pásem NIR spektra. Také firma JAI, jejíž kamera zde byla představena, dále rozvíjí metodu separace různých vlnových délek, takže již dnes nabízí kamery 2CCD vyrobené na zakázku s libovolně nastavenými pásmy propustnosti. Díky této technologii je dokonce možné vytvořit úzkopásmový detektor pro snímání velmi úzkých spektrálních čar ze zachyceného obrazu.
 
Další informace jsou uvedeny na www.elcom.cz nebo www.jai.com.
Tomáš Gřeš, Elcom, a. s.
 
Obr. 1. Princip dvoučipové kamery: a) do senzoru citlivého na barvy dopadá jen viditelné světlo, infračervené světlo se odráží do NIR
senzoru, b) každý senzor je citlivý na světlo jiných vlnových délek
Obr. 2. Pro algoritmy zpracování obrazu je v mnoha případech obtížné rozlišit mezi přirozenou barevnou strukturou a povrchovými defekty; zobrazení v NIR pásmu (vpravo) dovoluje snadno rozeznat povrchové i podpovrchové kazy
Obr. 3. Zobrazení v NIR pásmu detekuje těžko zjistitelná vlákna v látce – v tomto případě lidský vlas
Obr. 4. Kombinací viditelného a NIR obrazu dvoučipová kamera kontroluje ochranné prvky bankovek
Obr. 5. NIR kanál kamery dovoluje nahlédnout pod potisk obalu
Obr. 6. Dvoučipová kamera JAI AD-080CL