ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5

ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5 Vít Lédl [email protected]

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

IMAQTOOL •  •  •  • 

Matlab Napsat >> imaqtool – command line Možnost nastavit mnoho parametrů Podle druhu kamery

2


SNÍMAČE •  Základní principy •  Fotoemisní •  Fotovoltaický nebo fotovodivostní princip •  Historie - vidicon •  CCD •  CMOS

Snímače obrazu - zařízení, která přeměňují energii dopadajícího světla na energii elektrického signálu.

Vynález CCD 80-tá léta minulého století – Nobelova cena 2009

3


CCD Lineární, analogové, intenzitní, citlivé ve VIS a blízké IR (filtry !!)

CCD jsou velmi citlivé detektory a jejich odezva na osvětlení je lineární. Jsou mechanicky stabilní a především CCD kamery poskytují snímky přímo v digitální podobě, bezprostředně zpracovatelné pomocí počítačů.

4


CCD -PRINCIP •  Přicházející světlo vytváří v polovodiči elektrický náboj (elektrony). •  Elektrony se nemohou volně pohybovat po čipu, neboť na čipu jsou vytvořeny svislé negativní potenciálové valy (odpuzující elektrony). •  Systém vodorovných elektrod, rovněž s negativním nábojem, vytváří na čipu mřížku tzv. „potenciálových studní“, z nich elektrony nemohou uniknout. Každá potenciálová studna vytváří (reprezentuje) jeden obrazový bod (tzv. „pixel“ z anglického picture element), tedy nejmenší čtvereček obrazu. •  Pixely vystavené většímu množství světla naakumulují více elektronů a naopak. •  Struktura elektrod je poněkud komplikovanější, než bylo řečeno. Pokud se na elektrody přivede různé napětí, elektrony mohou být „přelévány“ z jedné nábojové studny do sousední. Tak je možné náboj posouvat po ploše čipu. •  Tento proces je používán, když je potřeba informaci z CCD čipu vyčíst. Balíky elektronů, reprezentující jednotlivé pixely, jsou posouvány do výstupního zesilovače, kde je elektrický náboj převeden na napětí. •  Toto napětí se objeví na výstupním pinu CCD čipu. Elektronika kamery pak musí toto napětí změřit (převést na číslo pomocí analogově/digitálního převodníku, anglicky Analog/Digital Converter — ADC) pro každý pixel. Informace o náboji akumulovaném v každém pixelu (a tedy o množství světla, které do každého pixelu dopadlo) tvoří datový soubor reprezentující obrázek. 5


CCD –PRINCIP II

Jedna ze základních výhod CCD čipů ve srovnání s lidským okem je schopnost akumulace náboje po dlouhou dobu. CCD tak mohou postupně nashromáždit dostatek světla i z velmi slabých světelných zdrojů. Roste ale také šum. 6


VLASTNOSTI CCD •  •  •  •  •  • 

Analogové zařízení A/D převod různá bitová hloubka (hranice) Linearita až do saturace Rozlišení řádky x sloupce Kvantová účinnost (v závislosti na vlnové délce) FW – kapacita (typicky 10000 – 50000 fotoelektronů) •  Šum (vznik druhy) •  DR

7


FW - DR •  •  •  •  •  •  • 

Full – well – kapacita Read out noise Dynamický rozsah Vysvětlení Typické hodnoty Fill faktor Mikročočky

DynamicRange =

FullWellCapacity Re adOutNoise

8


KVANTOVÁ ÚČINNOST QE

9


SATURACE

10


PROBLÉMY CCD •  Blooming •  Šum •  Nerovnoměrnost odezvy •  Zahřívání •  Dead pixels •  Hot pixels •  Grades (engenering Iindustrial, scientific)

11


CCD – DRUHY - VELIKOSTI •  •  •  •  •  • 

Backiluminated Frontiluminated Full frame Linear ICCD Photon multiplying CCD 12


CCD – DRUHY – VELIKOSTI II •  Plošné •  Řádkové •  až 8k pixelů – obdélníkové photosite (citlivost) nebo čtvercové

13


CMOS •  •  •  •  •  •  • 

Konstrukce Rozdíl oproti CCD Výhody Masový nástup Adresovatelnost Vyšší stupeň integrace Funkcionality rovnou na čipu 14


CMOS PRINCIP FUNKCE

15


VLASTNOSTI A PROBLÉMY CMOS Fill faktor, Šum, Drahé pokud nejsou velké série Pak velmi levné (Desítky korun) - uniformita CCD

CMOS

Cena

Drahý, protože výrobní linka musí být specializovaná na tento typ technologie.

Levný, protože využívá standardní technologii pro "běžné" integrované obvody (paměti, procesory atd.).

Odběr

Odebírá cca 50x více energie než CMOS.

Malý.

Šum

Malý, velká kvalita obrazu.

Díky menšímu fill faktoru a potřebě mikročoček je šum větší.

Složitost

Velká, mnoho obvodů je mimo senzor.

Malá, vše potřebné je přímo v obvodu senzoru.

Funkčnost

Omezená, komplikovaný transport obsahu buněk.

Vysoká, maticově adresovatelné buňky.

Rychlost

Nízká, sekvenční čtení.

Vysoká, adresné čtení.

16


SNÍMÁNÍ BARVY •  Snímač sám o sobě není citlivý na barvu pouze na intenzitu •  Základní principy •  3 CCD – filtry, mozaiková struktura, filtry karusel •  Interpolace - problémy

17


DALŠÍ PRINCIPY SNÍMÁNÍ BARVY

18


KAMERA •  •  •  •  • 

K čemu Funkcionality On board FIFO Binning Druhy pro použití v MV

AOI (true partial scan), separate AOI for auto features Programmable LUT, white balance, hue, saturation Debayering Auto gain, auto exposure Color correction Shading correction High SNR mode (up to 24 dB better signalto-noise ratio) Local color anti-aliasing Sub-sampling, 2x – 8x binning (b/w) (only Stingray F-201C: binning with color) Low noise binning mode Defect pixel correction Sequence mode (changes the camera settings on the fly) Image mirror Deferred image transport SIS (Secure Image Signature, enhanced time stamp) Storable user settings

19


KAMERY DRUHY •  •  •  •  •  •  • 

Plošné Řádkové Termovizní Chlazené Vysoce citlivé Rychlokamery Kamery citlivé v UV

Analogové Digitální

20


POŘÍZENÍ OBRAZU - PRAKTICKY •  •  •  •  •  • 

Osvětlení Uchycení Vzdálenosti Objektiv Světelnost (rychlosnímání x hloubka ostrosti) Zvětšení (zvětšení objektivu x rozlišení a velikost pixelu •  Kalibrace (dark frame, flat field) •  Kalibrace celé soustavy na měření rozměrů

21


VOLBA PARAMETRŮ KAMERY •  Rozlišení (může nastat omezení v rozlišení u barevných kamer - interpolace) •  Citlivost •  Snímková frekvence •  Expoziční doba - limity •  BW / barva (pozor pokles citlivosti u barevných kamer) •  Automatika •  Buffer •  Připojení

22


MĚŘENÍ PARAMETRŮ KOMBINACE ZOBRAZOVACÍ SOUSTAVA + ČIP •  •  •  •  •  • 

Rozlišení v různých směrech Přenos kontrastu Barevná věrnost DR Šum A mnoho dalšího 23


GRETAG MACBETH COLOR CHECKER

24

Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

25

ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5

Recommend Documents