وظيفة وتطبيق أجهزة التقاط الإطارات في رؤية الآلة

تُستخدم تكنولوجيا رؤية الآلة على نطاق واسع في مجالات الفحص الإنتاجي الصناعي والرعاية الصحية والنقل وغيرها من المجالات لمساعدة الشركات على تحقيق الأتمتة والذكاء الاصطناعي. يمكن تقسيم النظام الكامل لرؤية الآلة إلى وحدتين رئيسيتين: اقتناء الصور ومعالجة الصور. ويعمل جهاز التقاط الإطارات (Frame Grabber) كواجهة بين جزء اقتناء بيانات الصور وجزء المعالجة، حيث يلعب دورًا محوريًا.

يتكون جزء اقتناء الصور في نظام رؤية الآلة بشكل أساسي من كاميرا صناعية وLENSE صناعي ونظام إضاءة، في حين تتم معالجة الصور باستخدام برامج معالجة الصور. ويمكن فهم جهاز التقاط الإطارات على أنه واجهة بين الكاميرا الصناعية (المصدر المرئي) والحاسوب (البرنامج). وتُزوَّد الصور التي يلتقطها جهاز التقاط الإطارات إلى الحاسوب أو معالجات أخرى لمعالجتها.

I. مبدأ عمل أجهزة التقاط الإطارات

أولاً، تُعدّ النظرة المحددة من العالم الحقيقي "التي تراها" الكاميرا والنظام البصري إشارةً بصرية. بعد ذلك، تقوم شريحة CCD أو CMOS بتحويل الإشارة البصرية إلى إشارة كهربائية. وتُخرج الكاميرا إشارة الفيديو بتنسيق أو بروتوكول محدد إلى جهاز التقاط الإطار (Frame Grabber). ويعبّر كل بكسل بشكل مستقل عن شدة الضوء على شكل مستوى رمادي (Gray Level). وتنقل قيم شدة الضوء هذه من مصفوفة شريحة CCD أو CMOS وتُخزن في بنية بيانات مصفوفية داخل الذاكرة؛ ويكون جهاز التقاط الإطارات هو الوسيط في هذه العملية.

II. المعلمات الشائعة لأجهزة التقاط الإطارات

1.  التحويل من الإشارة التناظرية إلى الرقمية (A/D Conversion): يمكن لأجهزة التقاط الإطارات تحويل الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية، حيث تلعب دوراً محورياً في عملية اقتناء الصور في النظام الكامل لرؤية الآلة. ويُعرف هذا التحويل من التناظري إلى الرقمي الذي تقوم به أجهزة التقاط الإطارات في أنظمة رؤية الآلة بعملية التحويل A/D، ويُسمى المكوّن المسؤول عن تنفيذ هذا التحويل بوحدة التحويل A/D.

2.  معدل العينة: معدل أخذ العينات يعكس سرعة جهاز التقاط الإطارات وقدرته على معالجة الصور. أثناء اقتناء الصورة، يجب الانتباه إلى ما إذا كان معدل أخذ العينات لجهاز التقاط الإطارات يلبي المتطلبات.

3.  مُخَزِّن الإطار الداخلي (الدقة): يحدد هذا الحد الأقصى لمصفوفة البكسل التي يمكن للجهاز دعمها، مما يعكس أداءه من حيث الدقة، أي أقصى دقة كاميرا يمكنه دعمها.

4.  عدد قنوات النقل: قدرة الجهاز على اقتناء الصور في نفس الوقت من عدة كاميرات. في التطبيقات العملية، هناك أحيانًا حاجة إلى تشغيل أنظمة رؤية متعددة في وقت واحد لضمان كفاءة الإنتاج. ولذلك، ولتلبية متطلبات تشغيل النظام، يجب أن يقوم جهاز التقاط الإطارات بتحويل إشارات عدة كاميرات من التناظرية إلى الرقمية في آنٍ واحد. الخيارات الشائعة حاليًا لقنوات النقل في أجهزة التقاط الإطارات المتاحة في السوق تشمل القناة الواحدة، والقناة المزدوجة، والقناة الرباعية، إلخ.

III. تصنيف أجهزة التقاط الإطارات

1.  بناءً على نوع الإشارة الداخلة: مقتات الإطارات التناظرية ومقتات الإطارات الرقمية. تُعد بطاقات GigE والمقتات USB من أنواع مقتات الإطارات الرقمية.

2.  بناءً على الوظيفة: أجهزة الإمساك ذات الوظائف البحتة في الاستحواذ، وأجهزة الإمساك المزودة بوظائف معالجة صورية مدمجة. مع التطور المستمر لخوارزميات معالجة الصور، ومحطات العمل الصورية، وتكنولوجيا وحدة معالجة الرسوميات (GPU)، والكاميرات الذكية، يقل بشكل متزايد مجال بقاء أجهزة الإمساك المزودة بوظائف معالجة صورية مدمجة، كما تصبح وظائف معالجة الصور فيها أكثر تخصصاً وانفراداً.

رابعًا. اختيار مقتات الإطارات

العوامل التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند اختيار مقتض إطارات:

١. نوع واجهة الإشارة: يجب أن تتطابق واجهة إشارة الفيديو (النوع) للكاميرا مع واجهة جهاز التقاط الإطارات: الإشارات التناظرية تتصل بأجهزة التقاط إطارات تناظرية، والإشارات الرقمية تتصل بأجهزة التقاط إطارات رقمية. هناك واجهات إشارات تناظرية وواجهات إشارات رقمية. تشمل الواجهات التناظرية BNC، RCA (موصل فونو)، S-video. تشمل الواجهات الرقمية CameraLink، Gigabit Ethernet (GigE)، CoaXPress (CXP)، CLHS، USB 3.0 & 2.0، وغيرها.

2. معدل أخذ العينات (الإطار/ثانية): يجب أن تكون تردد أخذ العينات للجهاز ≥ تردد الإخراج البيانات للكاميرا. يمكن حساب متطلبات تردد أخذ العينات للجهاز التي يجب أن تحقق من خلال المعادلة التالية:

لأجهزة التقاط التناظرية: تردد النقطة ≥ 1.2 * R * FPS

لأجهزة التقاط الرقمية: تردد النقطة ≥ تردد الكاميرا النقطي

ملاحظة: R هو دقة الكاميرا، FPS هو معدل الإطارات للكاميرا.

3. مجموعة تطوير البرمجيات (SDK): يجب أن يكون جهاز التقاط الإطارات المحدد مزودًا ببرنامج تطوير جاهز (SDK) مستقر وبسيط وسهل الاستخدام وقوي وقابل للنقل. علاوة على ذلك، يجب أن تكون السلسلة المنتجة مُثبتة جيدًا لتسهيل عمليات الترقية.