1.10.2011 |
Při návrhu vizuálních inspekcí se často setkáváme s případy, kdy je možnost nahlédnout pod povrch stejně důležitá, jako snímání vnějšího vzhledu objektu. Některé materiály a povrchové úpravy lze takto „prohlédnout“ pomocí snímání jejich obrazu v infračervené části spektra. Někdy se podaří „zneviditelnit“ potisk materiálu, jindy naopak vyniknou podpovrchové struktury, například u potravin. Jednou z možností, jak snímat zároveň ve viditelné a infračervené oblasti, je použití dvou kamer, kdy každá je citlivá v jiné části spektra. Cenově a technicky výhodnější variantou může být použití dvoučipové multispektální kamery.
Již v roce 2008 uvedla firma JAI na trh dvoučipovou kameru AD-080CL s výhodným poměrem cena/výkon, která snímá jak ve viditelné části spektra, tak v blízké infračervené oblasti (Near Infrared - NIR). Snímání dvoučipovou kamerou přináší nové možnosti do mnoha odvětví vizuální inspekce. Zatímco barevný čip snímá povrch objektu, viditelný pro lidské oko, druhý infračervený kanál „nahlíží“ pod povrch. Odhalují se tak defekty a kazy, které běžně nejsou vidět, nebo jsou algoritmy pro vizuální inspekci jen velmi těžko detekovatelné.
Princip dvoučipové technologie
Dvoučipové kamery principiálně vycházejí z barevných tříčipových kamer. Ty pomocí optického hranolu rozkládají přicházející světlo na složky červené, modré a zelené barvy a tyto snímají samostatnými čipy. Z jednotlivých barevných složek je posléze poskládána ucelená barevná informace.
Podobně i dvoučipová kamera používá technologii separace viditelného a NIR světla na rozhraní dvou optických hranolů. Rozhraní je pokryto tenkou vrstvou filtru. Ten do barevného Bayerova senzoru propustí pouze viditelné světlo, kdežto pro infračervené záření se chová jako zrcadlo. Světlo větších vlnových délek je tak od této vrstvy odraženo a dopadá na druhý NIR senzor. Přesnými výrobními postupy se pak zajišťuje precizní srovnání čipů na hranách hranolu s přesností na 1/4 velikosti pixelu.
Na rozdíl od 3CCD kamer, které jednotlivé barevné složky kombinují do jediného obrazu, z dvoučipové multispektrální kamery dostáváme obraz ve dvou oddělených kanálech. Takže máme k dispozici zvlášť obrazy ve viditelném a NIR spektru. Pro usnadnění implementace do stávajících kamerových systémů se některé modely navenek chovají jako dvě samostatné kamery.
Kamery jsou vybavovány běžným C závitem, což umožňuje velkou variabilitu při výběru objektivu. Vzhledem k rozsahu vlnových délek snímaných kamerou se pro dosažení optimálního výkonu doporučuje používat objektivy určené pro 3CCD kamery, které disponují minimální chromatickou aberací (barevná vada vzniklá na optických rozhraních vlivem různého indexu lomu při různých vlnových délkách světla). Zároveň tyto objektivy počítají s kratším závitem u vícečipové kamery (kvůli optickým a mechanickým vlastnostem kamery je závit omezen hloubkou 4 mm).
Výhody 2CCD technologie oproti tradičnímu řešení
Ačkoliv multispektrální technologie je používána již dlouho, tradiční způsoby její implementace jsou většinou drahé a jejich správné provedení pomocí více kamer není vždy jednoduché. Jedním řešením je použití dvou kamer zároveň: Jedna pro viditelnou část spektra a druhá pro NIR. Toto řešení se však ukazuje jako dražší a méně spolehlivé z důvodu použití dvou kamer, dvou objektivů a kabelů. Zároveň obslužná aplikace musí být schopna synchronizovat snímání obrazu ze dvou kamer současně. V tomto případě také není možné přesné sejmutí obrazu v jeden okamžik z jediné pozice. Dosažení přesného srovnání obou obrazů je proto velmi obtížné.
Oproti tomu je použití jediné dvoučipové kamery levnější a má řadu výhod:
- snímáme stejné místo zároveň v jednom okamžiku – odpadá problém synchronizace
- snímáme ze stejného místa – odpadá problém s odlišnou perspektivou
- snímané obrazy lze přesně slícovat pixel na pixel
- použití jedné kamery, jediného objektivu, jedné kabeláže
- úspora místa ve stroji
Aplikace dvoučipových kamer
Díky nízké ceně a snadné implementaci jsou multispektrální dvoučipové kamery ideální pro použití v mnoha oblastech:
- Inspekce a třídění potravin, jako ovoce, zeleniny, ořechů, masa a obilí – včetně možnosti snímat obsah pod potištěným obalem
- Kontrola tisku a potisku obalových materiálů
- Kontrola kvality povrchu textilií, dřeva, kovů, atd.
- Inspekce tištěných spojů a elektroniky
- Kontrola ochranných prvků bankovek, platebních karet, dokladů, vstupenek, loterijních tiketů atd.
Možnost zobrazení předmětu ve dvou oddělených spektrech umožňuje získat více informací pro analýzu obrazu. Příkladem může být snímání ovoce: Kamera ve viditelné části spektra snímá povrch a vyhodnocuje barvu a zralost ovoce. NIR kanál odhaluje mechanická poškození a prvotní známky hniloby nebo napadení škůdcem, které jsou pouhým okem neviditelné. Pokud je ovoce v pořádku, většina infračerveného světla se odrazí od povrchu. Pokud některá část povrchu absorbuje více světla než jiná, je to známkou odlišné struktury pod povrchem a naznačuje to podpovrchové defekty.
Pro algoritmy zpracování obrazu je v mnoha případech obtížné rozlišit mezi přirozenou barevnou strukturou a povrchovými defekty. NIR zobrazení dovoluje snadno rozeznat povrchové i podpovrchové kazy.
NIR zobrazení detekuje těžko zjistitelná vlákna v látce – v tomto případě lidský vlas.
Kombinací viditelného a NIR obrazu provádí dvoučipová kamera inspekci ochranných prvků bankovek.
NIR kanál kamery dovoluje nahlédnout pod potisk obalu.
Dvoučipová kamera JAI AD-080CL/GE
Jednou z kamer, která se pro tyto účely používá, je již zmíněná JAI AD-080CL/GE s dvěma čipy o velikosti 1/3" s rozlišením 1024x768 pixelů a maximální snímkovou frekvencí 30 fps na obou kanálech současně. Separační vlnová délka je 760 nm. Kamera umožňuje synchronní snímání z obou kanálů a to buď v režimu free-run, nebo v některém z režimů externího triggeru. Zesílení a expoziční parametry se nastavují pro každý kanál zvlášť. Veškerý software a SDK pro vývoj aplikací se dodává ke kameře zdarma. Kamera existuje ve verzi pro komunikační rozhraní CameraLink nebo Gigabit Ethernet.
Další možnosti multispektrálních kamer
V současnosti existuje několik výrobců, kteří se specializují na vícečipové kamery. V jejich portfoliu se nacházejí kamery s různým počtem čipů, které navzájem kombinují kanály červené, zelené, modré a jednoho nebo více pásem NIR. Také firma JAI, jejíž kamera zde byla představena, dále rozvíjí technologii separace různých vlnových délek, takže již dnes prakticky nabízí možnost zakázkové výroby 2CCD kamer s libovolně nastavenými pásmy propustnosti. Díky této technologii je dokonce možné vytvořit úzkopásmový detektor pro snímání velmi úzkých výřezů spektra ze zachyceného obrazu.
Poznámka: Článek byl ve zkrácené verzi uveřejněn v časopise AUTOMA (04/2010).
Odkazy:
Stránka produktu AD-080CL, AD-080GE
Ukázkové obrázky:
Při testování bylo použito osvětlení s bílými LED + osvětlení s IR LED (850 nm), objektiv CINEGON 1.8/16 mm ve vzdálenosti cca 330 mm. Kamera byla nastavena ve volnoběžném režimu s individuálním nastavením expozice a zesílení.
Některé potisky, jako například etiketa z termo tiskárny, jsou v NIR neviditelné. Také některé etikety běžných výrobků lze takto "zneviditelnit":
Toho se s výhodou používá při odhalování povrchových vad na již potištěném povrchu, které by se jinak kamerou těžko odhalovaly:
Takto lze realizovat inspekci potisku a povrchových defektů zároveň. Dalším příkladem je potisk textilního materiálu. Nečistoty a záděry, které lidské oko poměrně snadno odhalí, jsou pro algoritmy zpracování obrazu často neřešitelným oříškem:
Podobně lze provádět inspekci předmětů v průhledných obalech s potiskem:
Ta skvrna je skutečně až na kapesníku uvnitř obalu.
To, zda je v NIR oboru skutečně vidět pod potisk velmi závisí na použitém pigmentu. Například na krabičce od objektivu se podařilo skrýt pouze část obrázku. I tak je vidět, jak vyniknou rýhy na povrchu, které jsou jinak v obrázku naprosto skryty:
Lepící páska a lihový fix jsou však v NIR skoro neviditelné:
Další možnost snímání textu a neporušenosti povrchu CD jednou kamerou:
Vodivé cesty na desce s plošnými spoji snáze vyniknou v NIR části spektra:
Kromě různých umělých potisků lze provádět kontrolu čerstvosti a celistvosti ovoce odfiltrováním povrchového pigmentu:
Další zajímavou aplikací by mohlo být snímání povrchové úpravy žárovky a zároveň test celistvosti vlákna uvnitř:
Další zajímavou oblastí je snímání ochranných prvků bankovek, dokladů a platebních karet:
Jako nepovedený vtip se může zdát vymazání pokutového lístku za přestupek:
Na závěr můžete vidět důkaz o tom, že se skutečně jedná o snímání téhož obrazu ve dvou odlišných částech spektra. Předmět v krabičce je infračervený filtr (IR-pass) na objektiv:
