Λειτουργία και Εφαρμογή Συλλέκτων Πλαισίων στην Τεχνολογία Μηχανικής Όρασης

Η τεχνολογία μηχανικής όρασης χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή, την υγειονομική περίθαλψη, τις μεταφορές και άλλους τομείς, προκειμένου να βοηθήσει στην επίτευξη αυτοματισμού και εξυπνάδας. Το σύνολο του συστήματος μηχανικής όρασης μπορεί να διαιρεθεί σε δύο κύριες ενότητες: συλλογή εικόνας και επεξεργασία εικόνας. Ο συλλέκτης πλαισίου λειτουργεί ως διεπαφή μεταξύ της διαδικασίας συλλογής δεδομένων εικόνας και της διαδικασίας επεξεργασίας, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο.

Σε ένα σύστημα μηχανικής όρασης, το τμήμα απόκτησης εικόνας αποτελείται κυρίως από μια βιομηχανική κάμερα, βιομηχανικό φακό και σύστημα φωτισμού, ενώ το τμήμα επεξεργασίας εικόνας πραγματοποιείται μέσω λογισμικού επεξεργασίας εικόνας. Τον παγιωτή της εικόνας (frame grabber) μπορεί να τον κατανοήσει κανείς ως το διαμεσολαβητή μεταξύ της βιομηχανικής κάμερας (πηγή βίντεο) και του υπολογιστή (λογισμικό). Οι εικόνες που αποκτήθηκαν από τον παγιωτή εικόνας παρέχονται στον υπολογιστή ή σε άλλους επεξεργαστές για επεξεργασία.

I. Αρχή λειτουργίας των παγιωτών εικόνας (Frame Grabbers)

Πρώτον, το συγκεκριμένο τμήμα του πραγματικού κόσμου "που βλέπεται" από την κάμερα και το οπτικό σύστημα λειτουργεί ως οπτικό σήμα. Στη συνέχεια, η CCD ή CMOS μήτρα μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα. Η κάμερα εξάγει το βιντεοσήμα σε συγκεκριμένη μορφή ή πρωτόκολλο στον αποκτήτη καρέ. Κάθε pixel εκφράζει ανεξάρτητα την ένταση του φωτός με τη μορφή ενός επιπέδου γκρι. Αυτές οι τιμές έντασης φωτός μεταφέρονται από τη μήτρα της CCD ή CMOS μήτρας και αποθηκεύονται σε μια δομή δεδομένων μήτρας στη μνήμη. Ο αποκτήτης καρέ είναι ο ενδιάμεσος για αυτήν τη μεταφορά.

II. Κοινές παράμετροι αποκτητών καρέ

1.  Μετατροπή Α/Ψ: Οι αποκτήτες καρέ μπορούν να μετατρέπουν αναλογικά σήματα σε ψηφιακά σήματα, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στη διαδικασία απόκτησης εικόνας ολόκληρου του συστήματος μηχανικής όρασης. Η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό που εκτελείται από τον αποκτήτη καρέ σε ένα σύστημα μηχανικής όρασης ονομάζεται μετατροπή Α/Ψ, ενώ το αντίστοιχο εξάρτημα που υλοποιεί τη μετατροπή ονομάζεται μετατροπέας Α/Ψ.

2.  Ρυθμός Δειγματοληψίας: Ο ρυθμός δειγματοληψίας απεικονίζει την ταχύτητα και δυνατότητα του frame grabber στην επεξεργασία εικόνων. Κατά τη διάρκεια της απόκτησης εικόνας, πρέπει να δοθεί προσοχή στο αν ο ρυθμός δειγματοληψίας του frame grabber πληροί τις απαιτήσεις.

3.  Ενσωματωμένος μνήμη frame (Ανάλυση): Καθορίζει το μέγιστο πλέγμα pixel που μπορεί να υποστηρίξει ο grabber, απεικονίζοντας την απόδοση ανάλυσής του, δηλαδή, τη μέγιστη ανάλυση κάμερας που μπορεί να υποστηρίξει.

4.  Αριθμός Καναλιών Μετάδοσης: Η δυνατότητα του grabber να αποκτά εικόνες από πολλές κάμερες ταυτόχρονα. Στις πρακτικές εφαρμογές, μερικές φορές χρειάζεται να λειτουργούν ταυτόχρονα πολλά συστήματα όρασης για να εξασφαλιστεί η απαιτούμενη παραγωγική απόδοση. Επομένως, για να καλυφθούν οι ανάγκες της λειτουργίας του συστήματος, ο frame grabber πρέπει να εκτελεί μετατροπή A/D σε πολλές κάμερες ταυτόχρονα. Οι κοινές επιλογές καναλιών μετάδοσης για grabbers στην αγορά περιλαμβάνουν μονοκανάλι, διπλό κανάλι, τετραπλό κανάλι κ.λπ.

III. Κατηγοριοποίηση Frame Grabbers

1.  Με βάση τον τύπο εισερχόμενου σήματος: Αναλογικοί και ψηφιακοί κρατητές καρέ. Συχνά αναφερόμενες κάρτες GigE και κρατητές καρέ USB είναι τύποι ψηφιακών κρατητών καρέ.

2.  Με βάση τη λειτουργία: Κρατητές με καθαρά λειτουργίες απόκτησης και κρατητές με ενσωματωμένες λειτουργίες επεξεργασίας εικόνας. Με τη συνεχή ανάπτυξη αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας, εργαστηριακών σταθμών εικόνας, τεχνολογίας GPU και έξυπνων καμερών, ο χώρος επιβίωσης για κρατητές με ενσωματωμένες λειτουργίες επεξεργασίας εικόνας μικραίνει, και οι λειτουργίες επεξεργασίας εικόνας τους γίνονται ολοένα και πιο μοναδικές.

Iv. Επιλογή κρατητών καρέ

Παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή κρατητή καρέ:

1. Τύπος διεπαφής σήματος: Η διεπαφή σήματος βίντεο (τύπος) της κάμερας και του frame grabber πρέπει να ταιριάζει: τα αναλογικά σήματα συνδέονται σε αναλογικούς frame grabber· τα ψηφιακά σήματα συνδέονται σε ψηφιακούς frame grabber. Υπάρχουν διεπαφές αναλογικού σήματος και διεπαφές ψηφιακού σήματος. Οι διεπαφές αναλογικού σήματος περιλαμβάνουν BNC, RCA (φωνοσυνδετήρα), S-video. Οι διεπαφές ψηφιακού σήματος περιλαμβάνουν CameraLink, Gigabit Ethernet (GigE), CoaXPress (CXP), CLHS, USB 3.0 & 2.0, κ.ά.

2. Ρυθμός λήψης δειγμάτων: Η συχνότητα δειγματοληψίας δεδομένων του frame grabber ≥ η συχνότητα εξόδου δεδομένων της κάμερας. Η απαίτηση που πρέπει να πληροί η συχνότητα δειγματοληψίας δεδομένων του frame grabber μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

Για Αναλογικούς Frame Grabber: Συχνότητα σημείων ≥ 1,2 * R * FPS

Για Ψηφιακούς Frame Grabber: Συχνότητα σημείων ≥ Συχνότητα σημείων κάμερας

Σημείωση: Το R είναι η ανάλυση της κάμερας, το FPS είναι ο ρυθμός καρέ της κάμερας.

3. Εργαλειοθήκη ανάπτυξης λογισμικού (SDK): Ο επιλεγμένος frame grabber θα πρέπει να διαθέτει ένα σταθερό, απλό, εύχρηστο, ισχυρό και φορητό SDK. Επιπλέον, η σειρά προϊόντων θα πρέπει να είναι καλά εδραιωμένη ώστε να διευκολύνεται η επέκταση.