Elementi di Visione Elementi alla base nellimpostazione 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 dellOttica Campo Visivo Distanza di Lavoro Profondità di Campo PMAG Dimensioni del Sensore

Campo Visivo (F. O. V.) Il Campo Visivo è rappresentato dallarea inquadrata. In altri termini, è la porzione delloggetto che riempie il sensore della telecamera.

Distanza di Lavoro E la Distanza fra la Lente della Telecamera e lOggetto da Analizzare

Risoluzione E la Dimensione Minima del Particolare dellOggetto da Analizzare ancora Misurabile.

Profondità di Campo E la Massima Variazione della Distanza di Lavoro Tollerabile senza che lOggetto 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 dellArea 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 Allaumentare della frequenza uno stesso obiettivo produce un contrasto peggiore.

Nota Contrasto e risoluzione non sono costanti su tutta limmagine ma diminuiscono allontanandosi dal centro.

Distorsione Coincide con laberrazione: errore di Ottica Geometrica per cui linformazione è mal trasferita dal mondo reale allimmagine 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 dellimmagine) Può essere eliminata via software, rimappando limmagine o semplicemente se ne sfrutta la legge per correggere le sole misure rilevate.

Telecentricità Gli Obiettivi Telecentrici correggono otticamente lerrore di parallasse.

Parallasse E il fenomeno per cui gli oggetti che sono più vicini allosservatore appaiono relativamente più grandi.

Pro Indipendentemente dalla distanza di lavoro le dimensioni delloggetto 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 delloggetto inquadrato) difficoltà di montaggio dovute al peso e alle dimensioni. Fenomeno del Flat Field: allaumentare della distanza dalla verticale, diminuisce la luminosità della scena.

LIlluminotecnica I dettagli oggetto di studio devono essere illuminati in modo da avere un miglior contrasto nella scena rispetto ad altri particolari.

LIlluminotecnica 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 sullacquisto di software molto costosi.

Elementi Chiave dellIlluminotecnica Contenuto Spettrale della Sorgente Geometria dellilluminatore Sistema ottico / lenti Tipo di Sensore

Contenuto Spettrale della Sorgente E riferito alle lunghezze donda luminosa presenti nella sorgente. La luce bianca va da 400 a 700nm Il sole è lesempio 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 dellilluminatore E riferita alla forma dellilluminatore e alla sua posizione rispetto alloggetto inquadrato.

Geometria dellilluminatore 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 dellilluminazione 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 dellilluminatore.

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; Lilluminatore è di tipo Strobe; Lacquisizione è pilotata da un singolo trigger; Semplicità di configurazione.

Matriciale o Lineare? Lineare se: La risoluzione desiderata è maggiore di quella del sensore; Limmagine deve essere studiata riga per riga in un processo reale; La scena è in movimento e lacquisizione 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; Loggetto inquadrato si muove lentamente o è fermo.

Interlacciata o Progressiva? Progressiva se: Si vuol acquisire lintero fotogramma con illuminatore stroboscopico o lungo tempo di esposizione; Si vuol acquisire lintero fotogramma con ununica esposizione; Loggetto 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 allinterno del fotogramma. La dimensione minima, in termini di pixel, è 2. Pertanto, se il CCD è 640x480 le dimensioni minime delloggetto 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 dellottica adottata.

Dimensione del Sensore La dimensione del sensore si riferisce allarea attiva del CCD, ed è tipicamente pari a 1/2 o 1/3. Lottica 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 unapertura dellobiettivo di 5.6.

Nota Lapertura 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 unapertura 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 lobiettivo 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. Leffettivo 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 lapplicazione richiede alta velocità di acquisizione il framegrabber deve supportare il trigger. Trigger e luce stroboscopica consentono lacquisizione 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 Spesso potevano acquisire unimmagine 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 lacronimo 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 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 nellaltissima larghezza di banda (500 Mbytes/s), performance scalabile e cavi industriali. Rispetto a FireWire e GigE è lunico standard deterministico: il meccanismo di acquisizione è affidabile da quando cè levento di trigger a quando limmagine 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 lOCR, il riconoscimento delle forme e lestrazione dei contorni.

R.O.I. Region Of Interest. Per ridurre i tempi di calcolo, si individua nellimmagine la regione di interesse. Ogni algoritmo viene quindi applicato nella regione specificata dellimmagine.

Pattern Matching Il PM individua il numero e la posizione di un determinato oggetto modello allinterno dellimmagine. Es. Fiducials

Edge Detection Misura la distanza e langolo formato dai bordi di uno o più oggetti. Dal momento che lalgoritmo cerca la variazione nel contrasto, quanto più è contrastata limmagine, tanto più sarà preciso lalgoritmo.