Funkcja i zastosowanie przechwytaczy obrazu w technologii wizyjnej maszyn

Technologia wizyjna maszyn jest szeroko stosowana w kontroli produkcji przemysłowej, ochronie zdrowia, transporcie i innych dziedzinach, pomagając osiągnąć automatyzację i inteligencję. Cały system wizyjny maszyn można podzielić na dwa główne moduły: pozyskiwanie obrazu i przetwarzanie obrazu. Przechwytacz obrazu pełni rolę interfejsu między częścią pozyskiwania danych obrazu a częścią przetwarzania, odgrywając kluczową rolę.

W systemie wizyjnym część akwizycji obrazu składa się głównie z kamery przemysłowej, obiektywu przemysłowego i systemu oświetlenia, podczas gdy część przetwarzania obrazu jest realizowana przez oprogramowanie do przetwarzania obrazów. Przechwytujące karty graficzne mogą być rozumiane jako interfejs między kamerą przemysłową (źródłem wideo) a komputerem (oprogramowaniem). Obrazy pozyskane przez kartę przechwytującą są dostarczane do komputera lub innego procesora w celu dalszego przetwarzania.

I. Zasada działania przechwytujących kart graficznych

Po pierwsze, konkretna część rzeczywistego świata „widziana” przez kamerę i układ optyczny stanowi sygnał optyczny. Następnie układ CCD lub CMOS przekształca sygnał optyczny w sygnał elektryczny. Kamera przekazuje sygnał wideo w określonym formacie lub protokole do przechwytującego klatki (frame grabbera). Każdy piksel niezależnie oddaje natężenie światła w postaci poziomu szarości (Gray Level). Wartości natężenia światła są przesyłane z macierzy układu CCD lub CMOS i zapisywane w strukturze danych macierzy w pamięci; frame grabber pełni funkcję pośrednika w tym przekazie.

II. Typowe parametry przechwytujących klatki (frame grabberów)

1.  Konwersja A/C: Przechwytujące klatki (frame grabbery) mogą przekształcać sygnały analogowe na cyfrowe, odgrywając kluczową rolę w procesie pozyskiwania obrazu całego systemu wizyjnego. Ta konwersja analogowo-cyfrowa wykonywana przez frame grabber w systemie wizyjnym nazywana jest konwersją A/C, a komponent odpowiedzialny za realizację tej konwersji nazywany jest konwerterem A/C.

2.  Częstotliwość próbkowania: Częstotliwość próbkowania odzwierciedla prędkość i możliwości przechwytującego urządzenia w przetwarzaniu obrazów. Podczas pozyskiwania obrazu należy zwrócić uwagę, czy częstotliwość próbkowania przechwytującego urządzenia spełnia wymagania.

3.  Bufor ramki wbudowany (rozdzielczość): To określa maksymalną liczbę pikseli, którą urządzenie przechwytujące może obsługiwać, odzwierciedlając jego wydajność rozdzielczościową, czyli maksymalną rozdzielczość kamery, jaką może wspierać.

4.  Liczba kanałów transmisji: Możliwość urządzenia przechwytującego jednoczesnego pozyskiwania obrazów z wielu kamer. W praktyce czasami konieczne jest jednoczesne działanie wielu systemów wizyjnych, aby zapewnić odpowiednią wydajność produkcji. Dlatego też, aby spełnić wymagania systemu, urządzenie przechwytujące musi wykonywać konwersję A/C z wielu kamer jednocześnie. Popularne opcje kanałów transmisji dostępne obecnie na rynku to m.in. pojedynczy kanał, podwójny kanał, czterokrotny kanał.

III. Klasyfikacja urządzeń przechwytujących

1.  Według typu sygnału wejściowego: Grabery analogowe i grabery cyfrowe. Często wymieniane karty GigE i grabery USB to typy graberów cyfrowych.

2.  Według funkcji: Grabery posiadające wyłącznie funkcje pozyskiwania obrazu oraz grabery z zintegrowanymi funkcjami przetwarzania obrazu. Wraz z ciągłym rozwojem algorytmów przetwarzania obrazu, stacji roboczych obrazu, technologii GPU i inteligentnych kamer, przestrzeń życiowa dla graberów z zintegrowanymi funkcjami przetwarzania obrazu kurczy się, a ich funkcje przetwarzania stają się coraz bardziej jednostronne.

Iv. Wybór graberów obrazu

Czynniki do rozważenia przy wyborze grabera obrazu:

1. Typ interfejsu sygnałowego: Interfejs sygnału wideo (typ) kamery i przechwytującego obraz (frame grabbera) musi się zgadzać: sygnały analogowe łączą się z przechwytującymi obraz analogowymi, sygnały cyfrowe z przechwytującymi cyfrowymi. Istnieją interfejsy sygnałów analogowych i cyfrowych. Interfejsy sygnałów analogowych obejmują BNC, RCA (złącze fonetyczne), S-video. Interfejsy sygnałów cyfrowych obejmują CameraLink, Gigabit Ethernet (GigE), CoaXPress (CXP), CLHS, USB 3.0 & 2.0 itp.

2. Częstotliwość próbkowania obrazu: Częstotliwość próbkowania danych przechwytującego ≥ częstotliwość danych wyjściowych kamery. Wymóg dotyczący częstotliwości próbkowania danych przechwytującego można obliczyć w następujący sposób:

Dla przechwytujących analogowych: częstotliwość punktów ≥ 1,2 * R * FPS

Dla przechwytujących cyfrowych: częstotliwość punktów ≥ częstotliwość punktów kamery

Uwaga: R to rozdzielczość kamery, FPS to częstotliwość klatek kamery.

3. Zestaw narzędzi programistycznych (SDK): Wybrany grabber powinien posiadać stabilny, prosty w obsłudze, łatwy do użycia, wydajny i przenośny zestaw SDK. Dodatkowo, seria produktów powinna być dobrze ustalona, aby ułatwić modernizację.