Innovatív digitális kameramegoldások

A képfeldolgozó alkalmazásokat gyakran úgy képzeljük, hogy készen áll rendelkezésünkre a digitálisan rögzített, „nyers” képi információ, amelyet aztán az alkalmazás szempontjainak megfelelően dolgozunk fel az informatika eszkö­zeivel. A cikk arra mutat példát, hogy már a folyamat első lépését végrehajtó képdigitalizáló eszközök fejlesztése is az alkalmazások szempontjaihoz igazodik.

Bevezetés

Az ipari alkalmazásokra szánt digitális kamerák gyártói az utóbbi években számos olyan újítást vonultattak fel, amelyek az újszerű alkalmazások széles körét teszik lehetővé. Elsősorban a szenzortechnika, azon belül is a CMOS-szenzorok fejlesztése az a terület, ahol igazán számottevő előrelépések segítik a gép- és alkalmazásfejlesztők munkáját. A kamerák szenzorai számos olyan funkcióval rendelkeznek, amelyek messze túlmutatnak az egyszerű képkészí­tésen. Ilyen újszerű funkció például a „multi-integration mode”, a különböző elektronikus zármegoldások, a multi AOI-üzemmód, a beépített arcdetektálás, valamint az extrahosszú záridő.

A multi-integration expozíció használata

A multi-integration üzemmód neve a működés módjára utal. Ennek a funkciónak a segítségével egyetlen állóképen jeleníthető meg az objektumok mozgása vagy bármilyen egyéb változása. A képkészítés során a beállított expozíciós idő felosztható több egyforma, nagyon rövid exponálási időre és a közöttük lévő szünetekre. Ezáltal olyan képek nyerhetők, amelyekhez idáig nagysebességű villanófényre vagy kamerára volt szükség. A villanófény felszerelése körülményes, és a képrögzítés eredménye erősen függ a külső fényforrásoktól.
A nagysebességű kamera önmagában is igen költséges lehet, és több kép együttes analízisét teszi szükségessé. A multi-integration mode ezek egyikét sem igényli, a változatlan hardverfelépítésű kamera eredeti szenzorainak csak a vezérlése egészül ki az új funkcióval.
A művelet gyenge fényviszonyoknál is alkalmazható, és eredménye egyetlen kép, amely azonban a többszörös expozíció miatt megfelel a mozgás vizsgálatára. Erre alkalmas képfeldolgozó szoftverekkel a vizsgált objektum pályája, sebessége vagy akár a gyorsulása is könnyen nyomon követhető. A rövid exponálási idők miatt csökken az elmosódás, a leképezett tárgy elmozdulása jól megjeleníthető, a különálló, „alulexponált”, sötét képek helyett pedig az egymásra exponált képkockák összesített hatása normál intenzitást eredményez (1. ábra). Alkalmazási területei között említhető például az orvostudomány és a sport, mozgó objektumok megfigyelése, apró részletek elmozdulásának követése és a mozgás analízise.

1. ábra A multi-integration üzemmód alkalmazási példája

Global Start Rollig Shutter: a CMOS-szenzor egyszerre indított, soronkénti kiolvasása

A hagyományos fényképezőgépekben a film egészét egyszerre éri a fény. Ezen a módon működnek a mai digitális képrögzítő eszközök a „global shutter” (teljes képre ható zár) üzemmódban. A CCD-szenzorral szerelt kamerák nagy többsége is ugyanígy működik. Ezzel szemben a másik elterjedt képszenzor-megoldásnál (a CMOS-szenzorok többségénél) elterjedt a „rolling shutter” (gördülő zár) üzemmód, amelyben a sorok exponálása és kiolvasása szekvenciálisan történik. Jelenleg a kameragyártók – a CMOS-szenzorral szerelt képdigitalizálóknál – 5 Mpixel képméretig tudják a „global shutter” üzemmódot gazdaságosan megoldani. Az ennél nagyobb felbontású kamerák szinte kivétel nélkül a rolling shutter üzemmódot használják. Ebben az üzemmódban a képkészítés bizarr eredményekkel járhat, ha mozgó tárgyról készítünk képet (pl. így keletkeznek a mozgásuk irányában „eltorzult” járművek vagy meggör­bültnek látszó légcsavarlapátok).
Jogosan vethető fel a kérdés: eszerint a rolling shutter teljesen alkalmatlan a mozgó tárgyak fényképezésére? A válasz szerencsére „nem”, mivel több lehetőség is van ennek a nemkívánatos hatásnak a kompenzálására. Az egyik lehetőség, hogy kivárjuk, míg az összes sor exponálása megindul. Ekkor a tárgyat egy jól szinkronizált villanó­fénnyel rövid időtartamra megvilágítva az összes sort egyszerre érheti a fény. A villanófényt úgy kell időzíteni, hogy még az első sor kiolvasása előtt befejeződjön, és a külső zavaró fényforrások ellen is védeni kell a rendszert. A másik lehetőség a „rolling shutter global starttal” (2. ábra), amely egyszerre indítja a sorok expozícióját, a lezárás és kiolvasás azonban továbbra is szekvenciális marad. Ehhez az alkalmazáshoz is villanófény szükséges, de az időzítés lényegesen egyszerűbb. Továbbra is gondosan ügyelni kell azonban a külső zavarok kizárására.

2. ábra A Global Start Rolling Shutter-üzemmód

Multicast-üzemmód

A kommunikáció terén is bővült a támogatottság. Előfordulhat, hogy egy kamera képét több számítógépen, valós időben kívánjuk megtekinteni. A GigE-kamerák esetén ennek már nincs akadálya, ugyanis mindössze néhány egyszerű lépéssel konfigurálhatjuk a multicast kommunikációs üzemmódot. Ennek során egy master PC vezérli a kamerát, a többi gép pedig kliensként regisztrálhatja magát. A kamera egy „multicast IP” címre továbbítja az adatot, amit utána egy router vagy switch továbbít a regisztrált klienseknek (3. ábra). Ennek nagy előnye, hogy semmilyen többletterhet nem ró sem a kamerára, sem az azt vezérlő PC-re, mert az adatcsomagok többszörözését a router végzi. Ez a technika a megfigyelési alkalmazásokban kiküszöbölheti a hagyományos IP-kamerák hiányosságait.

3. ábra Egy képi információ több helyen történő megjelenítésének módjai

Extrahosszú expozíció

Ha az alkalmazási körülmények miatt kevés fény jut a kamerába, fényérzékenyebb szenzorokra lehet szükség, de sok esetben még ezekkel is a hosszú expozíciós idő választása jelenti a megoldást. Hosszú záridőnek a több másodperces expozíciós időket tekintjük. A modern CMOS-szenzorok egy része akár 10 másodperces expozíciós időt is megenged. Ez érdekes és költséghatékony alternatívát kínál az érzékenyebb, de költségesebb CCD-szenzorokkal szemben. Gyenge megvilágításnál általában nagy erősítést kell alkalmazni, hogy a kép részletei kivehetők legyenek. Ez viszont a zajszint megnövekedésével és a képminőség romlásával jár (4. ábra).

4. ábra A fényszegény objektumok leképezése extrahosszú expozícióval

Ezt a hibát küszöböli ki a hosszú záridő, amivel gyenge fénynél is kis zajszint és magas információtartalom érhető el. Olyan alkalmazások is előfordulhatnak, amikor az alacsony szintű megvilágítás kifejezetten szükséges. Ilyen lehet például a mikroszkópiában a fényérzékeny minták vizsgálata. A hosszú záridő különösen alkalmas lehet az egészségügy technológiájához, a minőség-ellenőrzéshez vagy akár a csillagászathoz is.

Arcdetektálás

Az arcdetektálás (és az arcfelismerés) olyan technológiát jelöl, amellyel egy digitális képen automatikusan találhatunk meg arcokat. Van néhány jellemző – mint a fejforma, az arc részleteinek geometriája és a bőrszín –, amely gyakran képezi vizsgálat tárgyát. Az automatikus arcdetektálás nehezítő tényezői a részlegesen eltakart arc, a fej pozíciója (elfordítva vagy szemből nézve, 5. ábra) vagy egy részlet­gazdag, strukturált háttér.

5. ábra A fej pozícióazonosításának egyszerű sémája

A piacon már léteznek olyan kamerák amelyek beépített arcdetektálással rendelkeznek. Ez a funkció szelektíven keres emberi arcokat a kép részleteiben, amiket automatikusan megtalál és rögzít. A kamera azonosítja az emberi arcra emlékeztető körvonalakat, a szemeket vagy akár a tekintet irányát is.

Összefoglalás

A CMOS-technológiák nagyfokú fejlődése miatt a korábbi problémák, mint a limitált expozíciós idő, a rolling shutter miatti képtorzulás vagy a fényszegény objektumok alacsony jel/zaj viszonya már alig van hatással az alkalmazhatóságra. Lényegesen csökkent a CCD-szenzorok korábbi minőségi előnye, a CMOS-szenzorok pixelsűrűségben megelőzték, fényérzékenységben pedig megközelítették azokat. A trendek azt mutatják, hogy az ipari alkalmazásokban az alacsonyabb gyártási költség és a könnyebb fejleszthetőség miatt a CMOS-szenzorok jutnak domináns szerephez, és a megfelelően kialakított képszenzorok előnyei már a feldolgozatlan, nyers kép rögzítésénél megmutatkoznak. A felsorolt eszközök a képfeldolgozás gazdag eszköztárának természetesen csak egy keskeny szeletét mutatják. A fejlesztők ma is szinte naponta állnak elő az ipari alkalmazásokat megkönnyítő, szélesítő és újraértelmező megoldásaikkal.

Szerző: Tóth Sándor – SANXO-Systems Kft.

SANXO-Systems Finn-Magyar
Méréstechnikai és Automatizálási Kft.
1221 Budapest, Arany J. u. 87/B
Tel: +36 1 226 2624/105, mobil: +36 30 327 1100
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.,
www.sanxo.eu

Még több SANXO-Systems

Címkék: Képfeldolgozás | CCD | CMOS | képszenzor | global shutter | rolling shutter