Hogyan működnek a digitális kamerák?

Az előző cikkünkben végigvettük hogyan épül fel egy gépi látás rendszer, most pedig annak legfontosabb egységét, azaz a kamerát vesszük górcső alá.

Manapság már mindenhol digitális kamerák vesznek minket körül, a telefonunktól kezdve, a laptopunkban, tabletünkben, az utcán biztonsági kamerák képében, vagy a közlekedést figyelve, és sok más iparág között a gyártósorok automatizálása is digitális kamerák segítségével történik.

A camera obscurától az analóg filmes kamerákon át fokozatosan jutottunk el a ma már minden részében digitális kamerákig. Ezekben az eszközökben nem csak a képalkotás digitális, hanem az elkészült képek tárolása, vagy továbbítása is.

Az első digitális kamerát a Kodak mutatta be az 1970-es években, na de hogyan is működik ez az alapjaiban azóta is változatlan technológia?

A camera obscura apró lyukához képest, az analóg és digitális kamerákon is optikát használnak a beérkező fény összegyűjtésére. Az optika teszi lehetővé a megfigyelt tárgyra való fókuszálást, közelítést vagy távolítást. A digitális kamera lelke azonban a képalkotó szenzor, ez végzi az optikán át érkező fény digitális képpé való alakítását. Az elkészült képeket a hétköznapokban használt kamerák  memória kártyákon tárolják, azonban az ipari digitális kamerák nagy tárhelyigényű tömörítetlen felvételeit egyből továbbítani kell a feldolgozást vagy tárolást végző PC felé, mely folyamat a kamerák interfészén keresztül történik.

Untitled-7.fw

A kamera legfontosabb része a képalkotó szenzor. Ezek a szenzorok nagyon sok apró, fényre érzékeny területből, azaz pixelből állnak. Minél több fény, azaz foton érkezik adott pixelre, az annál világosabb lesz az elkészülő képen. Színes képeknél azonban nem csak a fény mennyisége, hanem a hullámhossza is számít. A kép minden egyes képpontjára meg kell tudni adni annak egyedi színértékét. Erre a feladatra két módszer terjedt el a digitális képalkotásban.

A leggyakrabban használt az úgynevezett Bayer filter eljárás, ami azt takarja, hogy a szenzor minden egyes pixelén az RGB színtérnek megfelelő színszűrők találhatóak, 50%-ban zöld és 25-25%-ban piros valamint kék színben. Képalkotás során a fény mennyisége és a szín függvényében különböző módszerekkel történő interpolálással tudják meghatározni a kép egy-egy pontjának valós színét.

Screenshot 2015-12-10 13.35.16

A hétköznapok során használt kamerákban jellemzően nem számít ha egy kép elkészítése, és elmentése negyed vagy fél másodpercet is igénybe vesz, azonban ipari alkalmazás során ennél gyorsabb működésre van szükség. Egy gyorsan mozgó tárgyról való éles kép készítéséhez nagyon gyorsnak kell lenni, így egyes ipari kamerák kamerák másodpercenként akár 750 kép (sőt van ami, még ennél  is több) készítésére képes.

További infók és érdekességek angolul tudóknak a Basler alábbi videójában:

Miből is áll egy gépi látás rendszer?

Szinte minden cikkünkben szerepel, és a blog címe is az, hogy gépi látás, de az alkalmazási területein kívül nem igazán néztünk eddig mögé, hogy mit is jelent ez a technológia. Most induló cikksorozatunkban ezt fogjuk bepótolni, bemutatva a gépi látás rendszerek felépítését, alkotó elemeiket, tehát mindazt, ami a használhatóság alapjait adja.

A gépi látás rendszerek központi eleme természetesen maga a kamera, azonban a megfelelő rendszerelemek használata nélkül hiába a legjobb kamera, nem fogjuk elérni a kívánt eredményt.

A gépi látás rendszerek feladata gyakorlatilag az emberi látás “imitálása”, nagy sebesség mellett. A két dolog működése is szinte ugyanaz, hiszen a minden fajta látáshoz kell egy képalkotó egység, valami, ami a feldolgozást végzi és egy harmadik rész, ami a kettőt összeköti. Ezen kívül az embernek és a gépnek is szüksége van fényre, hiszen anélkül az egész nem ér semmit.

Vision_system

Az emberi látás képalkotó egysége a szem, míg gépi látás rendszerekben ezt a feladatot látja el a kamera és az optika. Az így előállt képek a szemből idegeken keresztül jutnak el a feldolgozást végző agyhoz, és az ugyanitt továbbítja az utasításokat a szemnek. Mesterséges rendszerekben a kommunikáció különböző, úgynevezett interfaceken keresztül történik a kamera és a számítógép között. Egy számítógép persze önmagában még nem képes elvégezni a képfeldolgozást, kell a hardver mellé egy szoftver is, ami megmondja a számítógépnek, hogy milyen számításokat végezzen el a feladat teljesítéséhez. Megvilágítás tekintetében a gépi látás rendszerek nagy előnye, hogy a kamerák nem csak az ember számára látható fényben tudnak működni, hanem például infravörös megvilágításban is képesek a képalkotásra.

Az alábbi Basleres videón további érdekességeket és tanácsokat láthattok a gépi látás rendszerekről, melyeken a további részekben itt a blogon is végig fogunk menni.