หน้าที่และการประยุกต์ใช้งานของเฟรมแกร็บเบอร์ในระบบการมองเห็นของเครื่องจักร

เทคโนโลยีระบบการมองเห็นของเครื่องจักรถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตเพื่อการตรวจสอบ ด้านสาธารณสุข การขนส่ง และสาขาอื่น ๆ เพื่อช่วยให้เกิดระบบอัตโนมัติและความอัจฉริยะ ระบบการมองเห็นของเครื่องจักรทั้งระบบสามารถแบ่งออกเป็นสองโมดูลหลัก ได้แก่ การรับภาพ และการประมวลผลภาพ เฟรมแกร็บเบอร์ทำหน้าที่เป็นอินเตอร์เฟซระหว่างส่วนที่รับข้อมูลภาพกับส่วนที่ประมวลผลภาพ มีบทบาทสำคัญอย่างมาก

ในระบบการมองเห็นของเครื่องจักร ส่วนการรับภาพส่วนใหญ่ประกอบด้วยกล้องอุตสาหกรรม เลนส์อุตสาหกรรม และระบบให้แสงสว่าง ส่วนการประมวลผลภาพจะถูกดำเนินการด้วยซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพ ตัวจับภาพ (Frame Grabber) สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นอินเตอร์เฟซระหว่างกล้องอุตสาหกรรม (แหล่งวิดีโอ) กับคอมพิวเตอร์ (ซอฟต์แวร์) ภาพที่ถูกจับโดยตัวจับภาพจะถูกส่งต่อไปยังคอมพิวเตอร์หรือโปรเซสเซอร์อื่นๆ เพื่อทำการประมวลผลต่อ

I. หลักการทำงานของตัวจับภาพ (Frame Grabbers)

ขั้นตอนแรก บริเวณเฉพาะส่วนของโลกจริงที่ "เห็นได้" โดยกล้องและระบบออปติกจะทำหน้าที่เป็นสัญญาณแสง จากนั้น ชิป CCD หรือ CMOS จะแปลงสัญญาณแสงนี้ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า กล้องจะส่งสัญญาณวิดีโอออกไปในรูปแบบหรือโปรโตคอลที่กำหนดไว้ไปยังเฟรมแกร็บเบอร์ (Frame Grabber) แต่ละพิกเซลจะแสดงความเข้มของแสงในรูปแบบของระดับเทา (Gray Level) ค่าความเข้มของแสงเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนจากเมทริกซ์ของชิป CCD หรือ CMOS และจัดเก็บไว้ในโครงสร้างข้อมูลเมทริกซ์ของหน่วยความจำ โดยเฟรมแกร็บเบอร์ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนข้อมูลนี้

II. พารามิเตอร์ทั่วไปของเฟรมแกร็บเบอร์

1.  การแปลง A/D: เฟรมแกร็บเบอร์สามารถแปลงสัญญาณอนาล็อกให้เป็นสัญญาณดิจิทัล ซึ่งมีบทบาทสำคัญอย่างมากในการทำงานเก็บรวบรวมภาพของระบบเครื่องจักรทัศน์ (Machine Vision) ทั้งระบบ การแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัลที่ดำเนินการโดยเฟรมแกร็บเบอร์ในระบบเครื่องจักรทัศน์นี้ เรียกว่า การแปลง A/D (A/D Conversion) และองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องซึ่งทำหน้าที่แปลงสัญญาณนี้ เรียกว่า ตัวแปลง A/D (A/D Converter)

2.  อัตราการเก็บตัวอย่าง: อัตราการสุ่มตัวอย่างแสดงถึงความเร็วและความสามารถของตัวจับภาพในการประมวลผลภาพ ในระหว่างการรับภาพ ต้องให้ความสนใจว่าอัตราการสุ่มตัวอย่างของตัวจับภาพตรงตามข้อกำหนดหรือไม่

3.  หน่วยความจำภาพบนอุปกรณ์ (ความละเอียด): ตัวเลขนี้แสดงถึงจำนวนพิกเซลสูงสุดที่ตัวจับภาพสามารถรองรับได้ ซึ่งบ่งชี้ถึงสมรรถนะด้านความละเอียด กล่าวคือ ความละเอียดของกล้องสูงสุดที่ตัวจับภาพสามารถรองรับได้

4.  จำนวนช่องทางการส่งข้อมูล: ความสามารถของตัวจับภาพในการรับภาพจากกล้องหลายตัวพร้อมกัน ในบางการใช้งานจริง บางครั้งจำเป็นต้องให้ระบบมองเห็นหลายระบบทำงานพร้อมกันเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการผลิต ดังนั้นเพื่อให้ตรงตามความต้องการในการทำงานของระบบ ตัวจับภาพจึงจำเป็นต้องแปลงสัญญาณภาพจากกล้องหลายตัวให้เป็นสัญญาณดิจิทัลพร้อมกัน ตัวเลือกช่องทางการส่งข้อมูลที่พบได้ทั่วไปในตัวจับภาพที่มีอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ แบบช่องทางเดียว ช่องทางคู่ ช่องทางสี่ทาง เป็นต้น

III. การจัดประเภทของตัวจับภาพ

1.  แบ่งตามประเภทของสัญญาณขาเข้า: เครื่องจับภาพแบบแอนะล็อกและเครื่องจับภาพแบบดิจิทัล บัตร GigE ที่กล่าวถึงบ่อยๆ และเครื่องจับภาพแบบ USB เป็นประเภทหนึ่งของเครื่องจับภาพแบบดิจิทัล

2.  แบ่งตามหน้าที่: เครื่องจับภาพที่มีเพียงหน้าที่ในการจับภาพเท่านั้น และเครื่องจับภาพที่มีฟังก์ชันประมวลผลภาพแบบบูรณาการ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของอัลกอริทึมการประมวลผลภาพ สถานีทำงานด้านภาพ เทคโนโลยี GPU และกล้องอัจฉริยะ พื้นที่ในการดำรงอยู่ของเครื่องจับภาพที่มีฟังก์ชันการประมวลผลภาพแบบบูรณาการจึงถูกบีบตัวลง และฟังก์ชันการประมวลผลภาพของมันก็เริ่มมีความหลากหลายลดลงเรื่อยๆ

IV การเลือกเครื่องจับภาพ

ปัจจัยที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกซื้อเครื่องจับภาพ:

1. ประเภทของอินเตอร์เฟซสัญญาณ: อินเตอร์เฟซสัญญาณวิดีโอ (ประเภท) ของกล้องและเฟรมแกร็บเบอร์จะต้องตรงกัน: สัญญาณแอนะล็อกต่อกับเฟรมแกร็บเบอร์แบบแอนะล็อก และสัญญาณดิจิทัลต่อกับเฟรมแกร็บเบอร์แบบดิจิทัล มีอินเตอร์เฟซสัญญาณแอนะล็อกและอินเตอร์เฟซสัญญาณดิจิทัล อินเตอร์เฟซสัญญาณแอนะล็อก ได้แก่ BNC, RCA (ตัวเชื่อมแบบโฟโน), S-video อินเตอร์เฟซสัญญาณดิจิทัล ได้แก่ CameraLink, Gigabit Ethernet (GigE), CoaXPress (CXP), CLHS, USB 3.0 & 2.0 เป็นต้น

2. อัตราการสุ่มตัวอย่างเฟรม: ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างข้อมูลของแกร็บเบอร์ ≥ ความถี่ของการส่งข้อมูลของกล้อง ข้อกำหนดที่ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างข้อมูลของแกร็บเบอร์ต้องเป็นไปตามสามารถคำนวณได้ดังนี้:

สำหรับแกร็บเบอร์แบบแอนะล็อก: ความถี่จุด ≥ 1.2 * R * FPS

สำหรับแกร็บเบอร์แบบดิจิทัล: ความถี่จุด ≥ ความถี่จุดของกล้อง

หมายเหตุ: R คือความละเอียดของกล้อง FPS คืออัตราเฟรมของกล้อง

3. ชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ (SDK): ตัวจับภาพแบบเฟรมที่เลือกควรจะต้องมี SDK ที่มีเสถียรภาพ สบาย ใช้งานง่าย มีประสิทธิภาพ และพกพาได้สะดวก นอกจากนี้ ไลน์ผลิตภัณฑ์ควรมีความนิ่งเพื่อให้สามารถอัพเกรดได้อย่างง่ายดาย