1 VYSOKORYCHLOSTNÍ DIGITÁLNÍ VIDEOKAMERY

Díky neustálému vývoji techniky, se nabízí mnoho možností využití maticových detektorů obrazu. Dosažitelná hustota snímacích bodů (pixelů) a rychlost odezvy umožňují konstruovat takové zobrazovací přístroje, které v minulosti mohli být jen pouhým přáním. Příkladem je vysokorychlostní digitální videokamera.

Obr. 1 Vysokorychlostní digitální videokamera TroubleShooter 1000 [4]

1.1 Co je to vysokorychlostní videozáznam

Vysokorychlostní videozáznam jako diagnostický nástroj pomáhá výzkumným pracovníkům i technikům v mnoha odvětvích průmyslu analyzovat děje probíhající v době řádově desítek milisekund. Pod pojmem vysokorychlostní si můžeme představit záznam sekvence snímků, zaznamenaných velmi vysokou záznamovou frekvencí. Tato sekvence nám umožňuje zobrazit, změřit a pochopit události, které se staly příliš rychle na to, aby je mohlo zachytit lidské oko.

Vysokorychlostní videozáznamy pořizujeme vysokorychlostními digitálními kamerami. Samotná kamera je poměrně jednoduchý přístroj nahrávající vysokou záznamovou frekvencí a zpětně zobrazující obrazy mnohem nižší přehrávací frekvencí. Na rozdíl od běžných videokamer, kde se záznamová frekvence pohybuje okolo 25Hz, pracuje vysokorychlostní videokamera běžně se záznamovou frekvencí až 1000Hz. Nejnovější vysokorychlostní kamery pak dosahují záznamové frekvence až 150 tisíc snímků za sekundu. Přehrávací frekvence je pak samozřejmě výrazně nižší a je volitelná podle potřeby. Díky výslednému zpomalení události je možné její průběh podrobně sledovat a zjistit, co se skutečně stalo.

1.2 Kdo a proč používá vysokorychlostní digitální videokamery

Při současném rychle se měnícím výrobním i výzkumném prostředí, je často nutné důkladné zanalyzování poměrně rychlých dějů. Záznam potřebný k této analýze se nejsnáze a nejefektivněji pořídí právě vysokorychlostní digitální videokamerou.

Standardní videokamery mohou totiž zaznamenat pouze 25 snímků za sekundu a v konečném důsledku obvykle nepořídí záznam větší části rychlého děje. Při snímání vysokorychlostní digitální videokamerou, která zaznamenává stovky až tisíce snímků za sekundu, jde o něco naprosto jiného. Při následném pomalém přehrávání záznamu, popř. jeho prohlížení po jednotlivých snímcích, lze totiž postřehnout detaily, které by bez zpomalení děje zůstaly nepovšimnuty. Když se například podíváme v televizi na záznamy crashtestů automobilů demonstrující deformaci karoserie, účinnost bezpečnostních pásů či airbagů, je zřejmé, že analyzovat tyto děje pomocí běžných videokamer se záznamovou frekvencí 25Hz, by bylo velice obtížné, ne-li nemožné.

V oblasti průmyslu neříkáme, že jsou běžné videokamery zcela nepoužitelné, ale je ovšem třeba respektovat dosti striktně dané meze. Základním omezujícím faktorem jejich využití je, že standardní záznamová frekvence 25 Hz, je pro většinu pohybových problémů vyskytujících se ve strojích a mechanismech příliš nízká. Mnoho dějů probíhá během např. 100 ms, tj. za 1/10 sekundy. Standardní kamerou lze ovšem zaznamenat snímek pouze každých 40 ms. Z události trvající 100 ms tedy standardní videokamera poskytne uživateli asi 2,5 snímku. S vysokorychlostní kamerou zaznamenávající 1000 snímků za sekundu, bude uživatel schopen získat 100 snímků té stejné události. Výsledek je pak zřejmý při výsledné analýze záznamu. Při záznamu pohybu rychlostí 25 snímků za sekundu a jeho následném přehrávání desetkrát pomaleji, lze pozorovat jen 2,5 snímku za sekundu a výsledný obraz je pak velice „trhavý“ a tím pádem nevhodný k podrobné analýze[4].

Dalším důležitým činitelem je rychlost clony v kameře, která určuje dobu expozice snímku, pohybující se obvykle v setinách až tisícinách sekundy. Většina kamer má ve výbavě tzv. vysokorychlostní clony. Ty však umožní pořídit zase jen 25 snímků za sekundu.

1.3 Výběr vhodného typu a aplikace v průmyslu

Uvažujeme-li o použití vysokorychlostní digitální videokamery, měli by jsme nejprve odpovědět na základní otázky typu „Jak rychlou kameru potřebuji?“ a „Jak rychle je už příliš rychle?“. Dalším parametrem je rozlišení obrazu. Jestliže půjde o potřebu úložného prostoru, měla by být dána přednost co nejmenšímu rozlišení. Není-li však požadavek na úložný prostor kritický, lze použít rozlišení větší. Výsledkem však může být velké množství zbytečných dat. Přístup „čím víc, tím lépe“ zde není zrovna vždy na místě.

Jsou-li vybrány rychlost a rozlišení, dalším krokem je výběr vhodného rozhraní a poté nalezení konkrétního typu kamery. Kamera určená k využití v laboratoři s přímým připojením ke stolnímu počítači v reálném čase bude samozřejmě jiného typu, než kamera určená k použití ve výrobě, kde jsou hlavními požadavky jednoduchost obsluhy a mobilita.

Aplikace v průmyslu

Vysokorychlostní digitální videokamera je téměř univerzálním nástrojem k analýze rychlých pohybů v mnoha nejrůznějších aplikacích, např. při výzkumu, při vývoji nových výrobků, strojírenství, sledování stavu a údržbě strojů a mechanismů, v biomechanice atd.

Přestože každé využití vysokorychlostní kamery je svým způsobem jedinečné, lze zde vymezit tři hlavní oblasti:

· zkušebnictví

· věda a výzkum

· výroba

Tyto kategorie se mohou navzájem prolínat a zahrnují nespočet specifických aplikací.

V průmyslové výrobě se můžeme bavit např. o zachycení průběhu rychlého procesu na výrobní nebo balící lince či odhalení špatného seřízení stroje. To by bez použití vysokorychlostního záznamu bylo téměř nemožné. S vysokorychlostními videokamerami se lze proto stále častěji setkat např. na výrobních linkách a dopravnících v potravinářském, papírenském, textilním, hutním, či chemickém průmyslu, včetně linek vybavených roboty, ať už jsou použity kdekoliv. Vysokorychlostní kameru lze využít jak při vlastním seřizování daného stroje nebo zařízení, tak i k odhalení příčin zvýšené zmetkovitosti v důsledku jeho špatného seřízení. Pravidelnými kontrolami strojů a zařízení s využitím této videotechniky je navíc možné předcházet jejich poruchám a následnému přerušení výroby[5].

V oboru zkušebnictví pak lze zmínit např. zkoušky mechanických vlastností materiálů (odolnost proti nárazu a průrazu, průběh lomu, průběh tvorby třísky aj.) či odolnosti dílčích sestav nebo celých výrobků (působení vibrací, rázu, tlaku apod.), v leteckém a automobilovém průmyslu (car crash test).

Z oblasti výzkumu jsou to aplikace např. v biologii a biomechanice, při zkoumání spalovacích procesů, v oboru dynamiky kapalin či v experimentální aerodynamice. Dále jsou to např. balistické testy, včetně testů výbušnin a posuzování zásadně důležitých bezpečnostních komponent[5].

Základní typy vysokorychlostních kamer

· kompaktní sestava – displej je integrovanou částí kamery (TroubleShooter)

· samostatná kamera – možnost připojení periferních zařízení (i-SPEED)

Firma OLYMPUS se zabývá vývojem a výrobou vysokorychlostních digitálních videokamer. První z kamer byl typ i-SPEED 1GB, která byla navržena pro aplikace kde je požadováno snadno a rychle pořídit záznam.

Druhým typem je i-SPEED 2, kamera nabízející flexibilitu, přesnost a rozšiřující záznam videa o širokou škálu dalších možností. Dále nabízejí analýzu obrazu a rychlé stahování dat pomocí jednoduchého ovládání. Maximální rychlost snímaní je 33 tisíc snímků za sekundu, při maximálním rozlišení 800x600 pixelů jsme schopni zaznamenávat „pouze“ 1000 snímků za sekundu[26].

Existují různé typy konfigurací kamer i-SPEED. K samostatné kameře můžeme např. připojit jednotku CDU (Controller Display Unit), která obsahuje LCD obrazovku s vysokým rozlišením. Můžeme také připojit přídavnou obrazovku, nebo PC. Jednotka CDU obsahuje uživatelské menu sloužící ke kompletnímu ovládání kamery. Přes rozhraní Ethernet můžeme ovládat až 250 vysokorychlostních kamer umístěných v síti pod vlastními IP čísly.

Posledním přírůstkem do této řady vysokorychlostních kamer je i-SPEED 3 (obr.2). Tato kamera byla navržena tak aby vyhovovala specifikacím poskytující vysoké rozlišení, extrémní světelnou citlivost a záznam až do 150 000 snímků za sekundu. Při maximálním rozlišení 1280x1024 pixelů je snímkovací rychlost nahrávání 2000 snímků za sekundu. Vytváří ideální nástroj pro nejvyšší úrovně výzkumu[26].

Obr. 2 Vysokorychlostní kamera i-SPEED 3 [26]

1.4 Návratnost investic

Kalkulace návratnosti investic jednoduše představuje dobu, za kterou se nám vrátí peníze investované do nákupu vysokorychlostní kamery.

Kolik sem utratil ÷ Kolik ušetřím za rok = XX roků

Tento vztah dává smysl, ale jakou částku skutečně ušetříme za rok? Existuje několik faktorů, které budou mít vliv na konkrétní případ. Pro většinu montážních linek jsou považovány za dva největší faktory procentuální zvýšení výrobní kapacity a procentuální úbyt zmetkovosti[11].

Zvýšení výrobní kapacity

Pokud snížíme časové prodlevy mezi všemi jednotlivými operacemi, dojde ke zrychlení výrobní linky a tím ke zvýšení výrobní kapacity.

Tab. 1 Zvýšení výrobní kapacity [11]

Zvýšení výrobní kapacity | Celkové roční výnosy za vyrobené produkty (v tis. Kč)
5,000 | 10,000 | 15,000 | 20,000 | 25,000
1% | 50 | 100 | 150 | 200 | 250
2% | 100 | 200 | 300 | 400 | 500
3% | 150 | 300 | 450 | 600 | 750
4% | 200 | 400 | 600 | 800 | 1,000
5% | 250 | 500 | 750 | 1,000 | 1,250
| Oblast prezentující potenciální roční zvýšení výnosů z výroby (v tis. Kč)

Úbyt zmetkovitosti

Snížení procenta odpadů je pozitivní pro životní prostředí a stejně tak je důležitým faktorem snižujícím náklady na materiál. Když se výrobní proces zastaví právě kvůli zmetkové součásti, dochází k dalším časovým prodlevám a výdajům za opravy.

Tab. 2 Snížení procenta odpadu [11]

Snížení odpadu | Roční přímé náklady na materiál (v tis. Kč)
1,000 | 2,000 | 3,000 | 4,000 | 5,000
1% | 10 | 20 | 30 | 40 | 50
2% | 20 | 40 | 60 | 80 | 100
3% | 30 | 60 | 90 | 120 | 150
4% | 40 | 80 | 120 | 160 | 200
5% | 50 | 100 | 150 | 200 | 250
| Oblast prezentující potenciální roční úspory nákladů na materiál (v tis. Kč)

1.5 Viditelné spektrum

Základní charakteristikou elektromagnetického vlnění je tzv. vlnová délka, kterou označujeme λ (lambda) a je měřená ve vhodných délkových jednotkách. Jednoduše řečeno, vlnová délka nám říká, jak „dlouhá je vzdálenost mezi dvěma hřbety vln“. Analogickou veličinou je frekvence, která nám říká, kolikrát vlna kmitne za 1 sekundu.

Roztřídíme-li si vlnové délky záření vydávaného určitým zdrojem a zjistíme.li si intenzity záření na těchto jednotlivých vlnových délkách, dostaneme tzv. spektrum. Na obr.3 je schematicky naznačen obor vlnových délek celého elektromagnetického spektra – od nejkratší po ty nejdelší. Úzkou oblast mezi 400 až 700 nm můžeme vnímat zrakem a tento obor elektromagnetického záření nazýváme viditelné spektrum (světlo). Právě tato oblast elektromagnetického záření je pro experiment směrodatná[7].

Obr. 3 Viditelné spektrum [7]

Elektromagnetického záření je množství druhů a používá se k nejrůznějším účelům. Základní rozčlenění je na rádiové vlny, tepelné záření a rentgenové záření. Elektromagnetické záření se může pohybovat nejvyšší známou rychlostí vůbec – rychlostí světla (299 792 458 m/s). Této rychlosti dosahuje v případě, kdy není brzděno odporem prostředí, ve vakuu. Jediné, čím se od sebe druhy elektromagnetického záření liší, je množství přenesené energie. Nejméně energie přenášejí rádiové vlny, nejvíce paprsky gama nebo kosmické záření. Všeobecně platí, že čím více energie záření obsahuje, tím je životu nebezpečnější.

1.6 Strojové vidění

Osvětlovací soustava je stejně důležitou částí systému strojového vidění jako kamera. Pomocí osvětlení může být dosaženo podstatně kvalitnějších výsledků záznamu. Účelem osvětlení je dosáhnout maximálního kontrastu těch částí objektu, které nás zajímají, oproti částem, které nejsou předmětem inspekce (rušivé části). Obecně platí, že kontrast zájmové a rušivé části objektu lze vytvářet v zásadě dvojím způsobem a sice, využitím jejich rozdílné absorpce nebo rozdílu jejich jasu, který vznikne vhodným směrovým osvětlením. Návrh optimální osvětlovací soustavy začíná analýzou interakce objektu a světla. Na základě výsledků této analýzy je možné stanovit, jak a čím objekt osvětlit a jak eliminovat případné rušivé vlivy. Postup analýzy můžeme shrnout do následujících bodů[24]:

· analýza vlastností snímaného objektu vzhledem k úloze strojového vidění

· analýza potřebných vlastností použitého světla

· stanovení vhodné geometrie osvětlení

· výběr vhodného osvětlovače

· eliminace rušivých vlivů

Analýza vlastností snímaného objektu

Analýza se zaměřuje zejména na tyto části snímaného objektu

· velikost absorpce nebo odrazivosti světla, která určuje odrazy a lesky

· členitost objektu (výstupky, otvory atd.)

· tvar a velikost objektu pro určení velikosti a vzdálenosti osvětlovače

· pozadí objektu, které může působit rušivě

· změna polohy nebo případný pohyb objektu

Stanovení potřebných vlastností použitého světla

Ke stanovení potřebných vlastností světla je třeba analyzovat, jak se bude použité světlo chovat v interakci se snímaným objektem a jak bude následně působit na snímač obrazu kamery. Světlo dopadající z osvětlovače na sledovaný objekt se podle zákonů optiky rozdělí: část se ho odrazí, část způsobí v materiálu objektu emisi sekundárního záření a část se absorbuje.

Stanovení vhodné geometrie osvětlení

Geometrie osvětlení je dána i složením svazku světla. Paprsky ve svazku mohou být rovnoběžné, v tom případě jde o světlo s rovnoběžnými paprsky, nebo difuzní, tzn. že plně rozptýlené světlo má paprsky rovnoměrně rozložené ve všech směrech. Svazek světla reálného osvětlovače leží mezi těmito dvěma extrémy. Obecně platí, že světlo rozptýlené zmenšuje kontrasty způsobené členitostí objektu a strukturou povrchu a zvýrazňuje kontrasty způsobené absorpcí. V opačném případě, chceme-li zobrazit kontrastně členění objektu, zvolíme světlo směrované.

a) přední osvětlení

Jedná se o nejsnáze pochopitelný způsob osvětlení objektu. Objekt je osvětlen tak, že světlo od něj odražené dopadá přes objektiv na obrazový snímač.

Obr. 4 Přední (přímé) osvětlení [24]

b) zadní osvětlení

Používá se k zobrazení obrysu objektu, typické pro úlohy měření rozměrů. Tento typ osvětlení je nutný, jestliže má být vytvořen kontrastní obrys objektu za průhlednou překážkou.

Obr. 5 Zadní osvětlení [24]

Výběr vhodného typu osvětlovače

V současnosti existuje velký výběr druhů osvětlovačů. V poslední době se nejvíce používají osvětlovače s LED diodami. LED diody nepotřebují vysoké napětí a jejich světelný tok se dá snadno regulovat. Předností je také jejich dlouhá životnost. Osvětlovače se dodávají v různých velikostech, s různou barvou světla a různým způsobem řízení. Základní druhy těchto osvětlovačů jsou tyto:

a) plošné osvětlovací pole

Poskytuje směrované světlo. Rozptýlení světla je dáno vyzařovacím úhlem LED diod. V nenáročných úlohách mohou nahradit i nákladnější osvětlovače s jasným obrazovým polem a rozptýleným světlem. Malá a speciální pole se používají i jako pomocná světla nebo jako zdroje pro složitější osvětlovací soustavy.

Obr. 6 Plošné osvětlovací pole – a) osvětlovač, b)schéma [24]

b) kruhový osvětlovač

Poskytuje více rozptýlené světlo směřující od objektivu kamery. Tento osvětlovač nemá přímo ideální vlastnosti, zvláště v provedení jednoduchého kruhu.

Obr. 7 Kruhový osvětlovač – a) osvětlovač, b)schéma [24]

c) kopulový osvětlovač

Kopulové osvětlovače se používají pro osvětlení s jasným obrazovým polem kdy je nezbytně nutné osvětlit objekt světlem rozptýleným. Např. pokud potřebujeme přečíst nápis na zmačkané lesklé fólii. Rozptýlené světlo se vytváří difuzním odrazem na vnitřní ploše polokoule. Někdy tento způsob osvětlení nazýváme „bezestínový“.

Obr. 8 Kruhový osvětlovač–a) osvětlovač, b)schéma, c)příklad zobrazení [24]

d) osvětlovač DOAL

Specifické osvětlení s jasným obrazovým polem a rozptýleným světlem poskytuje právě tento osvětlovač. Použitý difuzor zajišťuje lepší rozptýlení světla. Díky konstrukci s polopropustným zrcadlem dopadá rovnoměrně z celé plochy nad objektem. Nevýhodou je vyšší cena.

Obr. 9 Osvětlovač DOAL–a) osvětlovač, b)schéma, c) příklad zobrazení [24]

Eliminace rušivých vlivů

Snadné by bylo, kdybychom mohli jako jediný zdroj světla stále používat jeden osvětlovač. Docílili bychom tak stále stejného jasového obrazu a výsledky by pak byli opakovatelné. V praxi je to však nereálné. Existují vždy další zdroje světla, jako je denní světlo, umělé osvětlení provozu aj. Např. denní světlo je pak hodně nevyzpytatelné, protože záleží na aktuálním počasí a hodině.

Nejjednodušším řešením je tyto nežádoucí zdroje světla odstínit tak, že vytvoříme pomocí osvětlovačů řádově vyšší osvětlení, než které vytváří nežádoucí zdroje. V takovém případě potřebujeme většinou vysoký světelný tok, což vyžaduje i velké množství energie a proto zapínáme osvětlovač pouze v době snímání.

V praxi obecně potřebujeme pro úspěšnou integraci strojního vidění do cyklu výrobní operace přezkoumat splnění hlavních podmínek:

· vhodné prostorové uspořádání výrobního zařízení, které umožní nasvítit a sejmout obraz objektu

· vhodné časové uspořádání operačního cyklu, které poskytne potřebnou dobu na sejmutí a vyhodnocení snímku i následnou akci

· vhodné uspořádání výrobního zařízení, které zajišťuje např. zastavení operace při zjištění chyby v přípravě či vyřazení dílu