visão computacional - notícias [engenharia eletrica - ufpr] · performance de um sistema de...

Visão Computacional

Alessandro L. Koerich

Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUniversidade Federal do Paraná (UFPR)

Câmeras para Visão Computacional

Hardware para Visão Computacional 2010 [email protected]

Agenda

• Tipos de Câmeras• Câmeras• Lentes• Interfaces• Iluminação• Software


Tipos de Câmeras

• Quanto ao tipo de sensor:– CCD– CMOS– Microbolometro– InGaAs

• Quanto ao tipo de sinal:– Analógico– Digital

• Quanto a interface:– Analógica (RS-170, NTSC, etc.)– Digital (USB, Firewire, GigE, Camera Link)


Tipos de Câmeras

• Quanto a cor:– Monocromática (níveis de cinza)– Colorida (1 sensor)– Colorida (3 sensores)– Outros

• Quanto ao formato do sensor:– Area Scan– Line Scan

• Quanto ao tipo de varredura:– Progressive Scan– Interlaced Scan


Tipos de Câmeras

• Quanto ao espectro:– Raio-X– UV– Visível– Near-IR– IR– Termal


Tipos de Câmeras

• Curva típica de sensibilidade:


Eletrônica

• O sensor bem como outros componentes eletrônicos têm um papel importante na performance de um sistema de visão computacional.


Charge-Coupled Devices (CCDs)

• São os sensores mais utilizados em aplicações de visão computacional.

• A câmera CCD contém um chip de silício que consiste de uma matriz de elementos sensíveis a luz, chamados pixels.

• Adicionalmente, CCDs têm uma faixa dinâmica impressionante e levam a uma relação altamente linear entre a energia de entrada e o sinal de saída, tornando-os ideais para metrologia.


Pixels CCD

• Quando a luz atinge um chip CCD, ela é coletada por uma matriz de pequenos elementos chamados pixels CCD.

• A imagem é dividida nestes pequenos pixels CCD discretos. A informação destes elementos é coletada, organizada e transferida para um computador ou monitor.

.


Pixels CCD

• Pixels assimétricos levam a uma resolução horizontal maior do que a vertical.

• Câmeras CCD analógicas geralmente possuem a mesma resolução vertical. Por esta razão, o padrão da indústria é especificar resolução em termos da resolução horizontal.

• Câmeras digitais não são limitadas pela largura de banda vertical e podem ter pixels quadrados ou retangulares.


Dimensão do Sensor

• O tamanho da área ativa do sensor é importante na determinação do campo de visão.

• Dada uma ampliação primária fixa (devido as lentes), sensores maiores levam a campos de visão maiores. Existem vários tamanhos de CCDs:


Câmeras CCD

• A melhoria da tecnologia de sensores CMOS traz uma performance próxima dos sensores CCD. Permite alta resolução e alta velocidade sem aumento na dissipação de potência.


Comparativo CCD x CMOS


Formatos Analógicos

• Padrões analógicos incluem:– Composto (NTSC/PAL, EIA/CCIR),– Y-C (S-Video),– RGB.

• Destes, os sinais NTSC (PAL/RS-170A/Color) e EIA (CCIR/RS-170/Monochrome) são os mais comuns e acomodam a maioria das aplicações.

• Sinais Y-C e RGB fornecem imagem de qualidade superior separando a informação de cor em canais discretos.

• Câmeras analógicas devem ser conectadas em hardware de aquisição para captura de imagens.


Formatos Digitais

• Os formatos digitais:– CameraLink™– IEEE-1394 (Firewire).– GigE– Outros formatos incluem RS-422 e RS-644.

• Câmeras digitais necessitam de um computador para mostrar as imagens em um dispositivo de saída.


Câmeras Analógicas X Digitais

• O chip CCD é um componente analógico significando que “valores” de pixel são coletados por meio de amostragem (entrelaçada ou progressiva).

• O processador de sinal e codificador converte esta informação em sinal analógico.

• Em câmeras digitais, digitalização ocorre a medida que o sinal é coletado pelo chip. Uma vez digitalizado, processamento e melhoramento de imagem podem ser feitos com poucas perdas ao sinal.


Digital vs. Analógico

Digital1. Variedade de sensores para alta

velocidade ou alta resolução

2. Computador necessário para mostrar o sinal

3. Placa de captura necessária para saída CL

4. Saída Progressive Scan

5. Pouca perda de sinal no processamento

Analógica1. Tipicamente baixa resolução;

saída a 30qps

2. Computador / placa de captura pode ser usada para digitalização

3. Suscetível a ruído/ interferências que causam perda do sinal

4. Saída geralmente entrelaçada

5. Sinal formato NTSC / EIA


Câmeras Digitais vs. AnalógicasDigital

1. Geralmente câmeras maiores

2. A resolução vertical não é limitada, portanto, câmeras digitais podem ter maior resolução.

3. Sem limitação de banda, oferecem um número maior de pixels e sensores CCDs maiores, resultando em resolução maior.

4. Computador e placa de captura necessários para mostrar o sinal.

5. O sinal pode ser comprimido e transmitido sem perdas.

6. Têm geralmente pixels quadrados para resolução horizontal e vertical idênticas.

7. O sinal de saída é digital, portanto pouca perda de sinal ocorre durante o processamento do sinal.

Analógica

1. Tamanho geralmente menor.

2. Resolução vertical é limitada pela largura de banda do sinal analógico.

3. Sensores são geralmente de tamanho padrão.

4. Computadores / placas de captura podem ser usadas para digitalização mas não são necessárias para mostrar o sinal.

5. Impressão e gravação analógica pode ser facilmente incorporada ao sistema.

6. Geralmente têm pixels retangulares.

7. Sinais analógicos são susceptíveis a ruído e interferência que causam perdas no sinal.


Monocromático vs. Colorido

Monocromático

•Sensor único fornece imagens em nível de cinza• Resolução 10% mais alta do que câmeras coloridas de sensor único • Melhor relação sinal/ruído; contraste superior• Sensibilidade a baixa iluminação aumentada.• Ideal para aplicações de medição

Colorido (1 Sensor)

• Usa filtro de cor Bayer RGB (Tipicamente) • Baixo custo• Resolução inferior (mais pixels necessários para reconhecer cor)• Cabeamento padrão• Facilmente integrada a sistemas.

Colorido (3 Sensores)

• Utiliza um prisma para dividir luz branca em três diferentes sensores• Mais caro• Melhor resolução de cor• Sensibilidade mais baixa• Escolha de lentes menor.


Câmeras CCD Coloridas

• O chip CCD é baseado em um efeito fotoelétrico e como resultado, não pode distinguir entre cores.

• Existem dois tipos de câmeras CCD coloridas: – chip único.– três chips (R, G, B).


Câmeras CCD Coloridas


Número de Pixels

• Câmera digital CCD que tem 1392H x 1040V pixels em um sensor 6.5H x 4.4V (mm).

• Uma interpretação simples desta especificação é imaginar o campo de visão sendo dividido em 1392 x 1040 partes.

• O detalhe mínimo identificável são 2 destas partes.

• Não leva em conta a performance das lentes.


Linhas de TV

• Em CCDs analógicos, a especificação “Linhas de TV” é geralmente usada para avaliar resolução.

• A especificação “Linhas de TV", ou "TVL" é uma unidade de resolução baseada em uma barra alvo com linhas igualmente espaçadas.

• Se o alvo é estendido de modo que ele cubra o campo de visão, o número de linhas de TV é calculado somando todas as linhas resultantes e espaços.

• Existem também um fator de normalização usado no calculo do valor da Linhas de TV horizontal baseado na razão de aspecto 4:3 dos chips.


Profundidade do Pixel

• Geralmente referido como escala de cinzas ou faixa dinâmica de uma câmera CCD, representa o número de níveis de cinza na imagem.

• Está ligada a uma quantidade mínima de contraste detectável por um sensor CCD.

• Várias câmeras fornecem 8 bits (256 níveis de cinza). Outros modelos operam em 10 bits (1024 níveis de cinza).


Relação Sinal Ruído (SNR)

• A relação sinal ruído (SNR) está diretamente ligada a faixa dinâmica da câmera.

• Altas SNRs levam um alto número de passos na escala de cinzas (alto contraste) mostrados pela câmera. Em sistemas analógicos a SNR é expressa em dB e em bits em sistemas digitais.

• Em geral, 6dB de SNR analógico é convertido para 1-bit quando digitalizado. Para câmeras digitais ou analógicas, X bits corresponde a 2X níveis de cinza (i.e. câmeras de 8 bits têm 28 ou 256 níveis de cinza).

• Existem duas fontes de ruídos em CCDs: imperfeições no chip que resultam em crosstalk e ruído térmico.


Sinal de Saída do CCD

• Existem poucos formatos para sinais de vídeo analógico.

• Nos Estados Unidos a Electronic Industries Association (EIA) definiu o sinal monocromático como RS-170. A versão em cores, definida como RS-170A, é mais conhecido por NTSC, que denota National Television Standards Committee.

• Tanto RS-170 quanto NTSC são sinais compostos que significa que toda informação de cor e intensidade é combinado em um único sinal.


Saída do Sinal CCD

• Existem sinais componentes (Y-C e RGB) que separam crominância (cor) da luminância (intensidade da cor). CCIR é o padrão Europeu para monocromático enquanto PAL e SECAM são os padrões Europeus para cor.

• Câmeras digitais CCD ganham popularidade pois, ruído de transmissão, distorção ou outras degradações do sinal não afetam a informação sendo transmitida.

• Como o sinal de saída é digital, há pouca perda de informação na transmissão.


Ganho

• Os ajustes de ganho controlam a amplificação do sinal vindo do chip CCD.

• Deve ser observado que o sinal completo é amplificado, incluindo qualquer ruído de fundo associado.

• A maioria das câmera possuem um controle automático de ganho (autogain ou AGC) e algumas não permitem que o usuário desligue-o e faça o ajuste manual.


Gama

• O controle gama controla o nível de cinzas reproduzido na imagem. Uma imagem com gama unitário indica que o CCD está reproduzindo precisamente os níveis de cinza do objeto (resposta linear).

• Gama muito maior do que a unidade resulta em imagens com silhuetas, em branco e preto. Gama muito menor do que a unidade gera uma imagem ligeiramente cinza.

• Gama pode ser considerado com a habilidade de esticar um lado (ou o branco quanto o preto) da faixa dinâmica do pixel.


Captura da Imagem

• Os principais parâmetros que influenciam a captura de uma imagem de uma cena ou objeto:– Objeto em movimento– Superfície do objeto– Iluminação do objeto– Tamanho do objeto– Distância do objeto


Formatos de Câmera Digital

• Area Scan– Relações típicas (H:V)

• 1:1 – 1024x1024, 2048x2048 • 4:3 – 640x480, 1024x768, 1290x960, 1360x1024, 1600x1200• 16:9 – 1920x1080

– Sensores maiores– Aplicações de alta velocidade – Tempos de disparo (shutter) mais rápidos– Custo inferior a Line Scan– Ampla gama de aplicações– Fácil de ajustar



• Line Scan– O sensor é linear e de grandes dimensões– Aplicações de alta velocidade– Constrói a imagem, linha a linha– Objetos em movimento na frente do sensor– Ideal para capturar objetos largos– Alinhamento e sincronismo especial– Integração complexa / iluminação simples.



• Interlaced Scan– Sensores convencionais utilizam varredura

entrelaçada– Chip é dividido em dois campos (pares e

ímpares) – Varre as linhas ímpares (1,3,5…) e então as

pares (2,4,6…) – Estes campos são então integrados para produzir

um quadro completo– Ideal para aplicações de média/baixa velocidade– Borramento pode ocorrer em altas velocidades.– Por exemplo, a uma taxa de quadros de 30 qps,

cada campo leva 1/60 de segundo para ser lido.



• Progressive Scan– Varre sequencialmente (1,2,3,4…) – Todos os dados da imagem são gravados em uma

única exposição– Ideal para aplicações de alta velocidade– Mais cara– A saída da varredura progressiva não é padronizada,

portanto a escolha de hardware deve ser cuidadosa.


Entrelaçado X Varredura Progressiva

• Para a maioria das aplicações, varredura entrelaçada não causa problemas.

• Problemas podem aparecer em aplicações de alta velocidade pois no momento em que o segundo campo é varrido, o objeto já se moveu.

• Isto causa fantasmas ou borrões na imagem resultante.


Objetos em Movimento

Objetos duplicados

Interlaced Scan

Progressive Scan


Taxa de Quadros X Velocidade do Shutter

• Shutter = Obturador: dispositivo de uma câmera que regula o tempo de exposição (Exposure).

• A taxa de quadros indica o número de quadros completos (que pode consistir de dois campos) compostos em um segundo.

• Em aplicações de alta velocidade, pode ser benéfico escolher uma taxa de quadros mais rápida para capturar mais "imagens" do objeto enquanto ele se move.



• A velocidade do shutter corresponde ao “tempo de exposição” do chip CCD.

• O tempo de exposição controla a quantidade de luz incidente no chip.

• Super-exposição pode ser controlada pelo decréscimo da iluminação ou ganho da câmera, ou aumentando a velocidade do shutter.


Resolução e Contraste do CCD

• A resolução de uma câmera CCD pode ser especificada de diferentes maneiras:– Número de pixels– Linhas de TV– Função Modulação da Transferência (FMT)


Representação da Imagem

• As imagens são representadas por uma matriz com o nível de cor dos pixels


Parâmetros Fundamentais

• Um sistema de visão deve criar uma imagem com qualidade o suficiente para permitir a extração das informações desejadas.

• Note que o conceito “qualidade da imagem” varia de aplicação para aplicação.



• Existe uma variedade de fatores que contribuem para a qualidade da imagem:– Resolução– Contraste– Profundidade de campo– Erros de perspectiva– Erros geométricos (distorção).



Campo de Visão (FOV): A área visível do objeto sendo inspecionado. Porção do objeto que preenche o sensor da câmera.

Distância de trabalho (WD): a distância entre a frente das lentes e o objeto sendo inspecionado.

Resolução: O tamanho mínimo dos detalhes do objeto que podem ser distinguidos pelo sistema de imagem.

Profundidade do Campo (DOF): A máxima profundidade do objeto que pode ser mantida inteiramente em foco. É também a quantidade do objeto que pode ser movimentada mantendo-se uma quantidade de foco desejada.

Tamanho do Sensor: Tamanho da área ativa do sensor da câmera geralmente especificada na dimensão horizontal. Este parâmetro é importante na determinação da ampliação da lente necessária para obter um campo de visão desejado. A ampliação primária (PMAG) das lentes é definida como a razão entre o tamanho do sensor e o campo de visão.



A fórmula a seguir calcula a ampliação primária: PMAG = Tamanho do Sensor (mm) / Campo de Visão (mm).

A ampliação primária das lentes (PMAG) é definida como a razão entre o tamanho do sensor e o campo de visão.



• Apesar de resolução e contraste de uma imagem poderem ser definidas individualmente, eles estão relacionados.

• Para determinar esta relação, é importante estudá-los primeiramente como elementos independentes.


Resolução e Contraste

Resolução é a quantidade de detalhes do objeto reproduzida pelo sistema de imagem.

Dois pixels da câmera CCD são necessários para cada par de linhas de resolução.

Resolução é uma medida da habilidade do sistema de imagem reproduzir detalhes de objetos. Uma imagem de baixa resolução é geralmente borrada e pobre em detalhes. A figura acima ilustra uma vista simplificada de dois quadrados reproduzidos sobre pixel da câmera CCD.


Profundidade do Campo

• A profundidade do campo (DOF) de uma lente é sua habilidade de manter uma imagem de qualidade desejada a medida que o objeto é posicionado mais próximo e mais longe do melhor foco.

• DOF também se aplica a objetos com profundidade, visto que lentes com alto DOF podem capturar o objeto inteiro claramente.

• A medida que o objeto é colocado mais perto ou mais longe da distância de trabalho, ele fica fora de foco e tanto a resolução quanto o contraste sofrem.


Distorção

• Distorção é um erro ótico (aberração) causado pelas lentes e que resulta em ampliações diferentes entre diferentes pontos da imagem

• Os pontos do objeto são mal posicionados na imagem em relação ao centro do campo.


Distorção

A distorção percentual é calculada pela seguinte fórmula:

% = (AD - PD / PD) x 100

onde: AD = Distância atualPD = Distância Predita


Erros de Perspectiva

• Erros de perspectiva, também chamado de paralaxe, faz parte da experiência humana diária.

• De fato, paralaxe é o que permite o cérebro interpretar o mundo 3-D.

• Esperamos que objetos mais próximos pareçam relativamente maiores que aqueles posicionados mais distantes.


Erros de Perspectiva


Exemplos de Câmeras Digitais


Câmeras Inteligentes

• Integram software e hardware para tratamento da imagem dentro da própria câmera.

• SmartCams

Computador

Câmera

Placa de Captura

Software



• Sensor CCD, processador, frame grabber, interface serial/ethernet/usb, entrada para triggers de alta velocidade, I/O para CLPs, memória RAM e cartões de memória SD.

visão computacional - notícias [engenharia eletrica - ufpr] · performance de um sistema de...

Documents