Elementi di Visione

Elementi alla base nell’impostazione di un sistema di visione

• Ottica

• Illuminotecnica

• Telecamera

• Hardware e Software

Il Progetto di un Sistema di Visione:Aspetti Fondamentali

• Risoluzione

• Profondità di Campo

• Campo Visivo

• Velocità di Elaborazione

Elementi Chiave dell’Ottica

• Campo Visivo

• Distanza di Lavoro

• Profondità di Campo

• PMAG

• Dimensioni del Sensore

Campo Visivo (F. O. V.)

Il Campo Visivo è rappresentato dall’area inquadrata.

In altri termini, è la porzione dell’oggetto che riempie il sensore della telecamera.

Distanza di Lavoro

E’ la Distanza fra la Lente della Telecamera e l’Oggetto da Analizzare

Risoluzione

E’ la Dimensione Minima del Particolare dell’Oggetto da Analizzare ancora Misurabile.

Profondità di Campo

E’ la Massima Variazione della Distanza di Lavoro Tollerabile senza che l’Oggetto Inquadrato vada Fuori Fuoco.

Ingrandimento Primario (PMAG)

Indica le Dimensioni di un Oggetto sul Sensore.

PMAG = dim. del sensore/ FOV

Es. Dato un CCD largo 6,4mm,

PMAG = 2 FOV = 3,2mm,

PMAG = ½ FOV = 12,8mm

Dimensione del Sensore

E’ la Dimensione dell’Area Attiva del Sensore di una Telecamera.

Tipicamente la dimensione orizzontale.

Risoluzione

E’ la capacità che ha il sistema di visione di riprodurre i dettagli di un oggetto.

E’ una frequenza definita come coppie di righe/mm.

Test Target

Per valutare la risoluzione del sistema si ricorre ad immagini campione.

Rapporto Segnale/Rumore

La variazione di intensità nei contorni

di oggetti adiacenti si definisce in

termini di scala di grigio o di rapporto

S/N.

Contrasto

E’ la capacità del sistema di distinguere fra due punti adiacenti. Maggiore è la variazione in intensità fra le righe chiare e quelle scure, migliore è il contrasto.

Contrasto - Risoluzione

All’aumentare della frequenza uno stesso obiettivo produce un contrasto peggiore.

Nota

Contrasto e risoluzione non sono costanti su tutta l’immagine ma diminuiscono allontanandosi dal centro.

Distorsione

Coincide con l’aberrazione: errore di Ottica Geometrica per cui l’informazione è mal trasferita dal mondo reale all’immagine ma non realmente persa.

Tipi di Distorsione

• La distorsione può essere positiva o negativa;• Monotona o non monotona.

Eliminare la Distorsione

La Distorsione non è mai lineare (non è proporzionale alla distanza dal centro dell’immagine)

Può essere eliminata via software, rimappando l’immagine o semplicemente se ne sfrutta la legge per correggere le sole misure rilevate.

Telecentricità

Gli Obiettivi Telecentrici correggono otticamente l’errore di parallasse.

Parallasse

E’ il fenomeno per cui gli oggetti che sono più vicini all’osservatore appaiono relativamente più grandi.

Pro

• Indipendentemente dalla distanza di lavoro le dimensioni dell’oggetto inquadrato rimangono le stesse.

• Le ottiche telecentriche non hanno profondità di campo maggiore di quelle ordinarie, ma hanno il vantaggio che gli oggetti vanno fuori fuoco in maniera simmetrica.

Contro

• La lente è molto grande (più della dimensione massima dell’oggetto inquadrato) difficoltà di montaggio dovute al peso e alle dimensioni.

• Fenomeno del Flat Field: all’aumentare della distanza dalla verticale, diminuisce la luminosità della scena.

L’Illuminotecnica

I dettagli oggetto di studio devono essere illuminati in

modo da avere un miglior contrasto nella scena rispetto

ad altri particolari.

L’Illuminotecnica

Bisogna cercare un equilibrio fra il software e la scelta del sistema di illuminazione.

Un buon software compensa problemi di illuminazione, così come una buona illuminazione può far risparmiare sull’acquisto di software molto costosi.

Elementi Chiave dell’Illuminotecnica

• Contenuto Spettrale della Sorgente

• Geometria dell’illuminatore

• Sistema ottico / lenti

• Tipo di Sensore

Contenuto Spettrale della Sorgente

E’ riferito alle lunghezze d’onda luminosa presenti nella sorgente.

La luce bianca va da 400 a 700nm

Il sole è l’esempio più preciso di luce bianca.

La ruota dei Colori

I sistemi industriali sono quasi tutti in scala di grigio, il contenuto spettrale diventa importante se si considera che gli oggetti riflettono la luce del loro stesso colore, per cui è importante scegliere la sorgente opportuna.

Geometria dell’illuminatore

E’ riferita alla forma dell’illuminatore e alla sua posizione rispetto all’oggetto inquadrato.

Geometria dell’illuminatore

• Puntuale

• Diffusa

• Incidente (es. coassiale)

• Radente

Nota

Se la superficie è riflettente (metalli) bisogna prestare attenzione alla saturazione: le parti illuminate direttamente avranno una luminosità molto più intensa di quelle in ombra per cui sarà impossibile ricavare informazioni sulla parte in ombra.

Sistema ottico / lenti

La scelta dell’illuminazione deve tener conto delle caratteristiche spettrali del sistema ottico.

Es. Distorsione e flat field.

Tipo di Sensore

La sensibilità del sensore e la sua risoluzione influenzano la scelta dell’illuminatore.

La scelta della Telecamera

• Cosa devo Inquadrare?

• Come deve Interagire con il resto del Sistema?

• Quale Sorgente luminosa è usata per Illuminare la Scena

La scelta della Telecamera

• Matriciale o Lineare;

• Interlacciata o Progressiva;

• Dimensioni del CCD e Risoluzione;

• Sensibilità.

Matriciale o Lineare?

Matriciale se:

• Le immagini vanno mostrate a monitor;• La risoluzione del sensore è sufficiente a inquadrare la

scena;• L’illuminatore è di tipo “Strobe”;• L’acquisizione è pilotata da un singolo trigger;• Semplicità di configurazione.

Matriciale o Lineare?

Lineare se:

• La risoluzione desiderata è maggiore di quella del sensore;

• L’immagine deve essere studiata riga per riga in un processo reale;

• La scena è in movimento e l’acquisizione deve essere pilotata da un trigger sincronizzato col movimento.

Interlacciata o Progressiva?

Interlacciata se:

• Le immagini vanno mostrate a monitor;• Si vuol risparmiare sui costi;• L’oggetto inquadrato si muove lentamente o è fermo.

Interlacciata o Progressiva?

Progressiva se:

• Si vuol acquisire l’intero fotogramma con illuminatore stroboscopico o lungo tempo di esposizione;

• Si vuol acquisire l’intero fotogramma con un’unica esposizione;

• L’oggetto inquadrato si muove rapidamente ed è necessario un tempo di esposizione breve.

Risoluzione

La risoluzione determina la dimensione minima del dettaglio che può essere studiato all’interno del fotogramma.La dimensione minima, in termini di pixel, è 2.Pertanto, se il CCD è 640x480 le dimensioni minime dell’oggetto che può essere misurato sono 1/320 (0.32%) in orizzontale e 1/240 (0.42%) in verticale.

Nota

Quando si usano sensori con pixel piccoli, bisogna prestare attenzione al potere risolutivo dell’ottica adottata.

Dimensione del Sensore

La dimensione del sensore si riferisce all’area attiva del CCD, ed è tipicamente pari a 1/2” o 1/3”. L’ottica deve essere compatibile con la dimensione del sensore.La dimensione del pixel è misurata fra i centri di due pixel adiacenti.

Sensibilità

La sensibilità di una telecamera ne misura la risposta alla luce bianca.Maggiore sensibilità è richiesta per inquadrare scene con scarsa illuminazione.Tipicamente la sensibilità è massima fra i 400 e i 1000nm.Alcune telecamere hanno un filtro che taglia gli infrarossi, che riduce la sensibilità al di sotto dei 650nm.

Sensibilità

La sensibilità si esprime, ad esempio, come:400 lux, 5.6, 0dB.Significa che per avere un certo livello sul segnale video in uscita bisogna usare una sorgente luminosa a 400lux,settare il guadagno della telecamera a 0dB e usare un’apertura dell’obiettivo di 5.6.

Nota

L’apertura numerica f si definisce come rapporto fra lunghezza focale e diametro effettivo.Il diametro effettivo è legato alla dimensione della lente frontale. Rappresenta la misura della luce che la lenta fa passare. Ad un numero più piccolo corrisponde un’apertura più grande.

Illuminazione Minima

Indica la capacità che ha la telecamera di lavorare in condizioni di bassa luminosità.Esempio:0.1 lux, 1.4, AGC On senza filtro IR.Significa che per avere un determinato livello del segnale in uscita devo usare una sorgente da 0.1 lux, con l’obiettivo completamente aperto e senza filtro IR.

Nota

Un alto valore di guadagno non è sempre positivo in quanto peggiora il rapporto segnale/rumore.

Rapporto Segnale/Rumore

E’ il rapporto tra il massimo segnale ed il minimo rumore ottenibili in output dalla telecamera.Si esprime in decibel.Poiché 6dB corrispondono al raddoppio del rapporto, 48dB corrisponderanno a 8bit e 60dB a 10bit.L’effettivo numero di bit significativi dipende dalle perdite nella trasmissione del segnale e nelle caratteristiche del framegrabber.

La scelta del Hardware

• Sistemi classici di telecamera, framegrabber e PC;

• Sistemi Stand Alone.

Funzioni del Framegrabber

• Acquisizione di porzioni di immagine;• LUT;• Guadagno programmabile;• Generazione di un treno di impulsi;• Clock per acquisire da telecamere non standard.

Nota

Se l’applicazione richiede alta velocità di acquisizione il framegrabber deve supportare il trigger. Trigger e luce stroboscopica consentono l’acquisizione di buone immagini di oggetti in rapido movimento.

Sistemi Stand-Alone

• Ideali per applicazioni di ispezione, identificazione e guida robot;

• I/O digitale a bordo;• Resistenza.

Framegrabber

E’ un dispositivo che interfaccia il computer alla telecamera. Esiste sin dal 1970. Spesso potevano acquisire un’immagine solo dopo aver catturato più quadri: non era possibile acquisire immagini di oggetti in moto.

Attualmente ci sono diverse tipologie di Framegrabber, per cui la difficoltà del progettista è quella di scegliere il modello migliore per il proprio scopo evitando spese inutili.

Framegrabber – Il Bus

Il bus è il mezzo che collega il fg al computer garantendo alimentazione, controllo e scambio di dati.

PCI-32 consente un tasso di trasferimento di 120Mbyte/s;

PCI-64 consente un tasso di trasferimento di 480Mbyte/s;

PCI-X consente un tasso di trasferimento di 1Gbyte/s.

La scelta di un tipo di Bus rispetto ad un altro è legata essenzialmente al tipo di telecamera da usare ed al frame rate.

Framegrabber - Memoria

Altra variante è rappresentata dalla presenza di banchi di memoria a bordo della scheda.

Si va da dispositivi privi di memoria a fg con Gbyte. In linea di massima hanno fra 16 e 64 Mbyte.La differenza consiste nella possibilità di mantenere le

immagini in memoria finchè il bus non è disponibile al trasferimento.

Framegrabber – Interfaccia con le telecamere

Le possibilità sono fondamentalmente due: analogico e digitale.

Quelle analogiche si basano su due standard: RS-170 e CCIR, per quanto riguarda la tensione, mentre la connessione fisica si realizza con un cavo video.

Quelle digitali, invece, hanno diversi standard:

RS-422, LVDS, FireWire, CameraLink, GigE.

Framegrabber – Interfaccia con le telecamere

RS-422: fu introdotta allo scopo di fornire ai costruttori di telecamere e fg uno standard nei livelli di tensione e nei tipi di connettori. Lo standard nei connettori non fu però recepito.

LVDS: è una variante del RS-422. E’ l’acronimo di low-voltage differential standard. E’ più robusto al rumore, per cui ha consentito di aumentare la lunghezza dei cavi e il flusso dei dati. Anche in questo caso ogni costruttore ha una sua piedinatura per cui i connettori sono diversi da caso a caso.

FireWire: anche nota come IEEE 1394. E’ nata come interfaccia per periferiche a bassa velocità (es. stampanti). Nel 1990 Sony ha adottato lo standard per il video digitale nelle telecamere industriali e commerciali. Viene utilizzato nelle applicazioni multimediali di basso livello in cui non è richiesto alto frame rate.

Framegrabber – Interfaccia con le telecamere

CameraLink: E’ stata la prima interfaccia che ha definito uno standard nei segnali, connettori e cavi. Il vantaggio del CameraLink nell’altissima larghezza di banda (500 Mbytes/s), performance scalabile e cavi industriali. Rispetto a FireWire e GigE è l’unico standard deterministico: il meccanismo di acquisizione è affidabile da quando c’è l’evento di trigger a quando l’immagine è trasferita in memoria.

GigE (Gigabit Ethernet): il più recente degli standard. Si basa sulla Ethernet a 1000‑Mbytes/s e fornisce 108 Mbytes/s di banda seriale. Il più grande vantaggio è la lunghezza del cavo (oltre 100m estendibile fino a 1000 utilizzando switchers o routers).

Framegrabber – Interfaccia con le telecamere

Quale scegliere?

Per la sua larghezza di banda è da preferire il Camera Link.

GigE si fa preferire in collegamenti a lunga distanza (oltre i 10m)

FireWire offre vantaggi quando sono necessarie molte telecamere con bassa larghezza di banda (acquisizione non continua da ogni telecamera).

Software

• Librerie richiamabili da C, C++, Visual Basic e LabVIEW;• Gli algoritmi principali sono l’OCR, il riconoscimento

delle forme e l’estrazione dei contorni.

R.O.I.

Region Of Interest.Per ridurre i tempi di calcolo, si individua nell’immagine la regione di interesse. Ogni algoritmo viene quindi applicato nella regione specificata dell’immagine.

Pattern Matching

Il PM individua il numero e la posizione di un determinato oggetto “modello” all’interno dell’immagine.

Es. Fiducials

Edge Detection

Misura la distanza e l’angolo formato dai bordi di uno o più oggetti. Dal momento che l’algoritmo cerca la variazione nel contrasto, quanto più è contrastata l’immagine, tanto più sarà preciso l’algoritmo.