Основы систем обработки изображений

Все мы выбираем свежие и внешне привлекательные продукты питания. Для обеспечения товарного вида и качества продуктов обычно используются системы обработки изображений. Благодаря получаемым изображениям производители принимают обоснованные решения, что в противном случае было бы невозможно.

Однако каким образом проектируются системы такого рода? Какие действия необходимы, какие факторы следует учитывать и какими возможностями располагают разработчики?

Выбор камеры, выбор объектива и источника освещения, оценка качества изображения, выбор аппаратного и программного обеспечения и настройка всех компонентов — важные шаги в построении эффективной системы обработки изображений.

Представьте, что садовод, выращивающий яблоки, просит вас разработать систему машинного зрения для контроля качества яблок. Его цель состоит в обеспечении однородного качества продукции, что подразумевает возможность быстрой отбраковки плохих яблок. Перед ним стоят следующие вопросы:

• Каковы точные требования к системе?
• Какое разрешение и какие сенсоры нужны?
• Необходима цветная или монохромная камера?
• Какими функциями должна обладать камера и какой уровень качества изображения будет достаточным?
• Объектив камеры: масштаб и технические характеристики
• Какое освещение следует использовать?
• Какое требуется аппаратное обеспечение ПК?
• Какое необходимо программное обеспечение?

Какие камеры используются для решения тех или иных задач? Сформулировав требования, можно определиться с целевыми характеристиками камеры, такими как разрешение и формат сенсора.

Но сначала выясним, что же именно означает понятие «разрешение». В классической фотографии разрешение соответствует минимальному расстоянию между двумя точками или линиями объекта съемки на изображении, которые воспринимаются как четко различимые.

В цифровой фотографии часто используются фразы наподобие «разрешение 2 мегапикселя». Это совершенно другое значение термина, которое подразумевает общее количество пикселей на сенсоре, а не его разрешение в строгом смысле этого слова. Истинное разрешение можно определить только для оптической системы в целом, то есть комбинации камеры и объектива и с учетом существующей архитектуры (то есть различных расстояний в заданной конфигурации системы). Нельзя сказать, что количество пикселей не имеет значения, — чтобы достичь высокого разрешения, действительно необходимо большое количество пикселей. По сути количество пикселей указывает на максимальное разрешение при оптимальных условиях.

Высокое разрешение или большая площадь контроля — для выполнения любого из этих требований сенсор камеры должен содержать как можно больше пикселей. Для оптического контроля большой площади на высоком разрешении может потребоваться несколько камер. На самом деле, более выгодным решением с точки зрения затрат, скорее всего, будет установить несколько камер со стандартными объективами, чем одну камеру с дорогостоящим специальным объективом, способным охватить всю требуемую площадь.

Размер сенсора и поле зрения определяют масштаб изображения, что в дальнейшем будет играть решающую роль в выборе объектива.

Хорошая камера — это не просто количество пикселей. Особое внимание следует обратить на качество изображения и функции камеры.

При оценке качества изображения, получаемого цифровой камерой, разрешение выступает одним из важных факторов, но также необходимо учитывать следующие:

• светочувствительность,
• динамический диапазон,
• соотношение «сигнал — шум».

С точки зрения функций камеры, одной из наиболее важных является скорость съемки, которая обычно выражается в кадрах в секунду (кадр/с). Это значение указывает на максимальное количество кадров, которое камера может отснять за одну секунду.

Требуемые аппаратные средства определяются поставленной задачей и необходимой скоростью обработки изображений.

В случае простых задач можно использовать обычный ПК и стандартное оборудование для обработки изображений, тогда как для решения сложных задач и задач, предполагающих высокую скорость обработки данных, может понадобиться специальное оборудование.

Для анализа изображения необходимо программное обеспечение. Большинство камер поставляются вместе с приложениями для просмотра изображений и настройки камеры — этого достаточно для начальной работы с камерой. Для решения особых задач обработки изображений требуется специальное программное обеспечение, которое приобретается отдельно либо разрабатывается по заказу.