Введение
Системы машинного зрения в настоящее время широко используются во множестве приложений. Они находят своё применение в промышленной автоматизации, научных исследованиях, медицине, системах безопасности, военной сфере и многих других отраслях.
Типовая система машинного зрения включает в себя камеру, плату захвата изображений, вычислительное устройство и специализированное программное обеспечение. Далее вкратце рассмотрим составляющие компоненты систем машинного зрения, сделав акцент на промышленных видеокамерах, являющихся ключевым элементом в подобных системах.
Обзор рынка промышленных камер
Для обзора рынка промышленных камер обратимся к опросу «Камеры и профессиональная обработка изображений 2012», проведённому специалистами компании FRAMOS GmbH и журнала INSPECT [1].
Опрос был сосредоточен на камерах для промышленных применений и дал картину, со всей очевидностью показывающую, как близко предложения производителей совпадают с ожиданиями пользователей.
Анализ основывается на ответах, полученных от 13 производителей и 51 пользователя камер в основном для промышленного применения. Под промышленным применением тут подраз-умеваются приложения, в которых изображения захватываются и/или анализируются автоматически, например, автоматизация производства и логистики, обеспечение качества, измерение параметров, мониторинг трафика и т.д.
Распределение по различным ценовым категориям показало, что многие производители продвигают свои модели начального уровня с разрешением VGA и стоимостью ниже €350. По данным опроса (рис. 1) у 41% пользователей есть камеры с разрешением меньше, чем 1 Мпиксел, однако камеры в ценовом диапазоне от €650 до €1000 являются самыми популярными и составляют 32% рынка, в то время как камеры, которые стоят меньше €350, занимают приблизительно 20% рынка.
Это означает, что у большинства опрошенных пользователей достаточно высокие требования к камерам, с точки зрения качества, функций и сервиса, и они готовы за это платить больше.
По мнению пользователей, промышленные камеры на базе ПЗС-сенсоров от Sony и Truesense (ранее Kodak) бесспорно занимают самую большую долю на рынке, равную 69%. Соответственно, на КМОП-сенсоры приходится 31% рынка, и безусловным лидером здесь является продукция компании Aptina.
С другой стороны, производители камер считают, что соотношение ПЗС- и КМОП-сенсоров составляет 75% к 25%. Таким образом, технология ПЗС более высоко оценивается среди производителей, чем среди пользователей.
По мнению пользователей камер, доля рынка ПЗС-сенсоров сократится в течение следующих двух лет приблизительно на 16%. Производители же прогнозируют более высокие темпы роста КМОП-сенсоров – на 20% в следующие два года. Аргументами для таких прогнозов являются данные о продуктовых линейках компаний Sony и Truesense, которые уже запустили или анонсировали большой ассортимент моделей, базирующихся на КМОП-технологии.
В промышленных приложениях, особенно в системах с автоматизированным захватом изображения, цвет играет незначительную роль. Данные опроса производителей показывают, что 74% камер в подобных приложениях – монохромные (аналогичная оценка среди пользователей составляет 84%). По этим же данным, 49% камер сегодня имеют разрешение ниже, чем 1 Мпиксел (рис. 1). Производители, в отличие от пользователей, ожидают самый высокий рост в категории камер с разрешением выше 10 Мпиксел. В целом же наблюдается небольшая тенденция в сторону использования камер с разрешением больше 1 Мпиксел.
Из анализа способа крепления объектива выявляется следующая картина: по мнению пользователей, 63% камер оборудованы креплением C-mount (по мнению производителей – 76%), а остальные камеры в основном либо снабжены малоформатными креплениями (K-mount, F-mount, Canon-mount и т.д.) – 18%, либо имеют мини-линзы (pinhole, M12, M14 и т.д.) – 12%.
В настоящее время ПЗС- и КМОП-сенсоры многих производителей способны обеспечить обработку информации с частотой до 100 кадров в секунду (кадр/с). Через два года, как ожидают пользователи, число камер с частотой от 100 до 200 кадр/с вырастет приблизительно на 5% (рис. 2).
Эта оценка обусловлена анонсированием новых камер с сенсорами, обеспечивающими такой диапазон частот. Производители же относительно частоты кадров предполагают, что через 2 года категории с частотами в диапазонах 100–200 кадр/с и >200 кадр/с увеличатся на 4% каждая.
При разделении камер на аналоговые и цифровые выясняется, что по данным от пользователей 34% используемых камер сегодня всё ещё имеют аналоговый выход (по мнению производителей, сейчас это 20%). Однако, по мнению потребителей, этот процент упадёт в течение ближайших двух лет ещё на 16 пунктов и будет на уровне 18% (соответственно, производители предрекают падение значения этого показателя за то же время на 8 пунктов до 12%).
Так как большинство камер в промышленном секторе имеют цифровой видеовыход, то особый интерес представляют различные стандартные цифровые интерфейсы. Нужно отметить, что среди респондентов интерфейсы Camera Link, Gigabit Ethernet, Ethernet и FireWire IEEE 1394a пользуются наибольшей популярностью. Ожидается, что в течение следующих двух лет произойдёт сдвиг в сторону Camera Link HS, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и USB 3, а также CoaXPress, представляющего особый интерес для определённых приложений. Характеристики наиболее востребованных интерфейсов для промышленных камер представлены в табл. 1 для сравнения.
В целом на рынке промышленных камер наблюдается движение в сторону более высокого разрешения и более высокой частоты кадров. Производители сенсоров выпускают продукцию со всё более высокими значениями этих характеристик, которая требует пропускной способности более 8 Гбит/с.
На этом фоне получены мнения пользователей о том, какой интерфейс будет наиболее востребован для полосы пропускания более 8 Гбит/с. В 68% мнений 10G Ethernet является безусловным лидером, опережая Thunderbolt и CoaXPress, которые получили 19% и 10% соответственно (рис. 3).
Интерфейс Camera Link HS, который до сих пор продвигается очень малым количеством крупных производителей камер, по-видимому, ещё недооценён пользователями, ещё не видно конкретных приложений для его использования.
Примеры промышленных камер
В качестве примеров конкретных промышленных камер рассмотрим изделия компаний SMARTEK Vision и Visiosens.
Компания SMARTEK Vision производит промышленные IP-камеры и светодиодные строб-контроллеры. Камеры производства SMARTEK Vision соответствуют основным требованиям, предъявляемым к промышленным устройствам, и отличаются небольшими габаритами при нескольких вариантах исполнения корпуса, превосходным качеством изображения и низкой стоимостью.
IP-камеры SMARTEK Vision обеспечивают полную аппаратную и программную поддержку стандартов GigE Vision и GenICam™, что в сочетании с компактным корпусом позволяет осуществлять их органичную интеграцию в существующие системы без дополнительных затрат.
Компания выпускает камеры как в корпусированном исполнении, так и без корпуса.
Для клиентов, нуждающихся в функционально законченном корпусированном изделии, компания предлагает камеры, заключённые в корпуса двух типов, отличающихся креплением и расположением соединителей выводных интерфейсов (рис. 4).
Для индивидуальных проектов своих клиентов компания SMARTEK Vision может предложить серию встраиваемых бескорпусных GigE-камер Giganetix Board Level (рис. 5).
Данная серия ориентирована на производителей устройств и системных интеграторов и предоставляет широкие возможности для успешной интеграции камер в системы и машины в условиях ограниченного пространства. Это достигается за счёт специальной конструкции камер, состоящей из отделяемой сенсорной части и основной платы, и поддержки технологии Power over Ethernet (PoE). Плата с сенсором, а также вся схема обработки данных, интерфейсная часть и, разумеется, программное обеспечение имеют полную совместимость со стандартами GigE Vision и GenICam™.
Камеры SMARTEK Vision способны обеспечивать высокое качество изображения с минимальным уровнем шумов. Широкий ассортимент используемых в изделиях компании ПЗС- и КМОП-сенсоров (10 моделей от Sony, 4 модели от Aptina и 3 модели от Truesense Imaging) обеспечивает возможность выбора подходящей камеры почти для любого применения в сфере машинного зрения.
Камеры SMARTEK имеют лучший в своём классе триггер задержки (2 мкс) на двух входных и двух выходных портах управления, что позволяет подобрать оптимальную синхронизацию массива камер со светодиодным импульсным освещением.
Конструкция устройств создана на базе открытых промышленных стандартов (C-mount, разъёмы RJ-45, кабели CAT 5e или CAT 6), что значительно снижает общую стоимость системы машинного зрения без каких-либо потерь в качестве.
Компания Visiosens производит модульные промышленные USB-камеры с возможностью конфигурирования, позволяющие достаточно легко создавать индивидуальные решения для высокотехнологичных секторов промышленности.
Серия камер от Visiosens – это не традиционный набор готовых устройств, а весьма гибкая и настраиваемая платформа с более чем 140 возможными комбинациями построения камер (рис. 6).
Данная платформа поддерживает единый современный программный интерфейс для всех своих камер, в том числе и для специальных заказных устройств. Платформа состоит из большого числа сенсоров, креплений, фильтров, включает опциональную светодиодную подсветку, имеет различные выходные интерфейсы и предполагает несколько вариантов сборки. Пользовательский и системный интерфейсы для всех вариантов камер построены на базе единого перспективного кросс-платформенного комплекта средств разработки, использующего самые современные NET-технологии.
Камеры Visiosens имеют высокопрочные корпуса, разработанные специально для применения в промышленности. Конструкция корпуса позволяет применять несколько вариантов установки. На каждой стороне и на передней поверхности выполнено множество крепёжных отверстий, расположенных симметрично оптической оси датчика. Заказчик может выбрать один из следующих типов крепления: C-mount, CS-mount или M12. В конструкцию корпуса может быть интегрировано опциональное светодиодное кольцо, подключаемое через 8-контактный порт ввода/вывода; такое решение способствует экономии занимаемого аппаратными средствами пространства и снижению финансовых затрат на систему в целом.
Платы видеозахвата и вычислительные устройства обработки видеоданных
Цифровая обработка изображений с последующим их анализом является одной из прикладных задач систем машинного зрения. Она решается с помощью плат видеозахвата либо специальных компьютерных систем (вычислительных устройств) анализа видеоинформации и специализированного программного обеспечения.
В качестве примера такого вычислительного устройства рассмотрим продукцию компании ADLINK, предназначенную для решения описанных задач.
Видеосистема EOS-1220 (рис. 7) выполнена на основе 4-ядерного процессора Intel® Core™ i7 третьего поколе-ния и предназначена для контроля разнообразных производственных процессов.
В составе EOS-1220 имеются 4 независимых PoE-порта для подключения GigE-камер. Кроме этого, видеосистема располагает богатым набором интерфейсов ввода/вывода, включающим в себя 4 × RS-232/422/485, 2 × USB 3.0, 32 изолированных дискретных входа/выхода PNP/NPN, 2 × SATA-интерфейса. Также видеосистема имеет слот CFast, внутренний USB-порт и программируемую EEPROM 1 кбит.
Сочетание использования интеллектуального интерфейса PoE и поддержки протокола IEEE 1588 позволяет обеспечивать питание устройств и передачу данных по одному кабелю. В видеосистеме существенно сокращено количество внутренних проводных соединений (около 60%), что значительно повышает надёжность изделия и упрощает его обслуживание.
Дополнительно в EOS-1220 предусмотрено интеллектуальное управление по PoE, позволяющее дистанционно переключать состояние PoE-устройств.
С помощью этой функции можно легко контролировать и управлять энергопотреблением и температурой внутри камеры, что значительно продлевает срок службы системы в целом.
Видеосистема поддерживает операционные системы Windows 8/7/XP, Embedded Standard 7. Высокопроизводительный процессор, наличие нескольких каналов и компактный дизайн делают EOS-1220 подходящим решением для приложений, требующих синхронной работы нескольких камер, например для 3D-управления роботами и контроля различных производственных процессов.
Помимо готовых видеосистем линейка продукции ADLINK включает широкий набор плат видеозахвата с различными типами аналоговых и цифровых интерфейсов. Подробное описание плат видеозахвата ADLINK приведено в статье [2].
Заключение
Новые технологии машинного зрения не только обеспечивают более качественное изображение, но и заставляют коренным образом переосмыслить место и области применения подобных систем. Наблюдается переход от пассивной фиксации событий к проактивному управлению на основе видеоданных. Системы машинного зрения эволюционируют как в техническом плане, так и в части интеграции в различные информационные системы. Немаловажную роль в этом развитии играют производители видеокамер, которые выводят на рынок устройства с более высокой чувствительностью, с новыми возможностями (например, с наличием кадрового затвора) и, что не исключено, с меньшей стоимостью. ●
Литература
- Ronald Muller. FRAMOS market survey 2012 [Электронный ресурс] // FRAMOS. – 2012. – 13 нояб. – Режим доступа : http://www.framos.com/it/news/news/single-view/article/framos-market-survey-2012-1.html.
- Головастов А. Машинное зрение и цифровая обработка изображений // Современные технологии автоматизации. – 2010. – № 4. – С. 8–18.
Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru
