Chức năng và Ứng dụng của Thiết bị chụp khung hình trong Thị giác máy

Công nghệ thị giác máy được sử dụng rộng rãi trong kiểm tra sản xuất công nghiệp, chăm sóc y tế, giao thông vận tải và các lĩnh vực khác để hỗ trợ đạt được tự động hóa và trí tuệ nhân tạo. Toàn bộ hệ thống thị giác máy có thể được chia thành hai mô-đun chính: thu thập hình ảnh và xử lý hình ảnh. Thiết bị chụp khung hình đóng vai trò là giao diện giữa phần thu thập dữ liệu hình ảnh và phần xử lý, đóng một vai trò quan trọng.

Trong một hệ thống thị giác máy, phần thu thập hình ảnh chủ yếu bao gồm một camera công nghiệp, ống kính công nghiệp và hệ thống chiếu sáng, trong khi phần xử lý hình ảnh được thực hiện thông qua phần mềm xử lý hình ảnh. Bộ thu hình (frame grabber) có thể được hiểu là giao diện giữa camera công nghiệp (nguồn video) và máy tính (phần mềm). Các hình ảnh mà bộ thu hình thu được sẽ được cung cấp cho máy tính hoặc các bộ vi xử lý khác để xử lý.

I. Nguyên lý của Bộ thu hình (Frame Grabbers)

Đầu tiên, phần cụ thể của thế giới thực mà camera và hệ thống quang học "thấy" sẽ đóng vai trò là tín hiệu quang. Sau đó, chip CCD hoặc CMOS chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Camera xuất tín hiệu video theo một định dạng hoặc giao thức cụ thể đến bộ thu hình (frame grabber). Mỗi điểm ảnh độc lập biểu thị cường độ ánh sáng dưới dạng Mức xám (Gray Level). Các giá trị cường độ ánh sáng này được chuyển từ ma trận của chip CCD hoặc CMOS và lưu trữ trong một cấu trúc dữ liệu ma trận trong bộ nhớ; bộ thu hình là trung gian cho quá trình chuyển đổi này.

II. Các Thông Số Thường Gặp Của Bộ Thu Hình

1.  Chuyển Đổi A/D: Bộ thu hình có khả năng chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, đóng vai trò thiết yếu trong công việc thu thập hình ảnh của toàn bộ hệ thống thị giác máy. Việc chuyển đổi tương tự sang số này do bộ thu hình thực hiện trong hệ thống thị giác máy được gọi là chuyển đổi A/D, và thành phần tương ứng thực hiện việc chuyển đổi được gọi là bộ chuyển đổi A/D.

2.  Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu phản ánh tốc độ và khả năng xử lý hình ảnh của bộ chuyển đổi khung hình. Trong quá trình thu thập hình ảnh, cần lưu ý xem tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi có đáp ứng yêu cầu hay không.

3.  Bộ đệm khung hình trên bo (Độ phân giải): Điều này xác định mảng điểm ảnh tối đa mà bộ chuyển đổi có thể hỗ trợ, phản ánh khả năng độ phân giải của nó, tức là độ phân giải camera tối đa mà nó có thể hỗ trợ.

4.  Số kênh truyền tải: Khả năng của bộ chuyển đổi thu thập hình ảnh đồng thời từ nhiều camera. Trong các ứng dụng thực tế, đôi khi cần nhiều hệ thống thị giác hoạt động đồng thời để đảm bảo hiệu suất sản xuất nhất định. Do đó, để đáp ứng nhu cầu vận hành hệ thống, bộ chuyển đổi khung hình cần thực hiện chuyển đổi A/D từ nhiều camera cùng lúc. Các tùy chọn kênh truyền tải phổ biến hiện có trên thị trường cho bộ chuyển đổi khung hình bao gồm đơn kênh, song kênh, tứ kênh, v.v.

III. Phân loại bộ chuyển đổi khung hình

1.  Dựa trên loại tín hiệu đầu vào: Bộ thu khung Analog và bộ thu khung Digital. Các loại thường đề cập như card GigE và bộ thu khung USB là các dạng của bộ thu khung kỹ thuật số.

2.  Dựa trên chức năng: Bộ thu khung chỉ có chức năng thu thập dữ liệu và bộ thu khung tích hợp chức năng xử lý hình ảnh. Cùng với sự phát triển liên tục của các thuật toán xử lý hình ảnh, trạm làm việc hình ảnh, công nghệ GPU và camera thông minh, không gian tồn tại của các bộ thu khung tích hợp chức năng xử lý hình ảnh đang ngày càng thu hẹp lại và chức năng xử lý hình ảnh của chúng ngày càng trở nên đơn nhất hơn.

IV. Lựa chọn Bộ thu khung

Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn Bộ thu khung:

1. Loại giao diện tín hiệu: Giao diện tín hiệu video (loại) của camera và bộ thu hình phải khớp với nhau: tín hiệu analog kết nối với bộ thu hình analog; tín hiệu kỹ thuật số kết nối với bộ thu hình kỹ thuật số. Có các giao diện tín hiệu analog và giao diện tín hiệu kỹ thuật số. Giao diện tín hiệu analog bao gồm BNC, RCA (kết nối phono), S-video. Giao diện tín hiệu kỹ thuật số bao gồm CameraLink, Gigabit Ethernet (GigE), CoaXPress (CXP), CLHS, USB 3.0 & 2.0, v.v.

2. Tần số khung hình lấy mẫu: Tần số lấy mẫu dữ liệu của bộ thu hình ≥ tần số đầu ra dữ liệu của camera. Yêu cầu về tần số lấy mẫu dữ liệu của bộ thu hình phải đáp ứng được có thể được tính như sau:

Đối với Bộ thu hình Analog: Tần số điểm ≥ 1,2 * R * FPS

Đối với Bộ thu hình Kỹ thuật số: Tần số điểm ≥ Tần số điểm của camera

Lưu ý: R là độ phân giải của camera, FPS là tốc độ khung hình của camera.

3. Bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK): Bộ thu khung hình được chọn nên có SDK ổn định, đơn giản, dễ sử dụng, mạnh mẽ và di động. Ngoài ra, dòng sản phẩm cũng cần được thiết lập tốt để thuận tiện cho việc nâng cấp.