مبانی سیستم پردازش تصویر

انتخاب دوربین، انتخاب لنز و منبع نور، ارزیابی کیفیت تصویر، انتخاب سخت‌افزار و نرم‌افزار کامپیوتر و پیکربندی تمام اجزا – همه این‌ها مراحل مهمی در اعمال مبانی سیستم پردازش تصویر موثر هستند.

هنگام طراحی یک سیستم بینایی، چه مواردی را باید در نظر گرفت؟

فرض کنید یک پرورش‌دهنده سیب از شما بخواهد یک سیستم بینایی ماشین برای بازرسی سیب‌ها طراحی کنید. او به ارائه کیفیت یکنواخت علاقه‌مند است، به این معنی که بتواند سیب‌های بد را جدا کند در حالی که همچنان با سرعت کار کند. او با سؤالات زیر مواجه است:

• الزامات دقیق و تعریف‌شده برای سیستم چیست؟
• به چه رزولوشن و سنسورهایی نیاز دارم؟
• آیا می‌خواهم از دوربین رنگی یا تک‌رنگ استفاده کنم؟
• به چه عملکردهای دوربین نیاز دارم و چه سطحی از کیفیت تصویر کافی است؟
• چشم دوربین: مقیاس و عملکرد لنز
• از چه نوع نورپردازی باید استفاده کنم؟
• چه سخت‌افزار کامپیوتری مورد نیاز است؟
• چه نرم‌افزاری مورد نیاز است؟

سیستم دقیقاً باید چه چیزی را و تحت چه شرایطی تحویل دهد؟

این سؤال آنقدر بدیهی به نظر می‌رسد که اغلب نادیده گرفته می‌شود و با جزئیات مناسب پاسخ داده نمی‌شود. اما واقعیت این است: اگر از ابتدا به طور دقیق مشخص کنید که چه می‌خواهید، در وقت و هزینه صرفه‌جویی خواهید کرد.

آیا سیستم شما باید:

• فقط تصاویر جسم مورد بازرسی را نشان دهد، با استفاده از ابزارهایی مانند بزرگنمایی یا نورپردازی ویژه برای آشکار کردن ویژگی‌های محصولی که با چشم انسان قابل تشخیص نیستند؟
• ویژگی‌های عینی محصول مانند اندازه و پایداری ابعادی را محاسبه کند؟
• موقعیت صحیح را بررسی کند – مانند یک سیستم انتخاب و قرار دادن؟
• ویژگی‌هایی را تعیین کند که سپس برای اختصاص محصول به یک کلاس محصول خاص استفاده می‌شوند؟

رزولوشن و سنسور

برای هر کاربرد خاص از کدام دوربین استفاده می شود؟ تعریف الزامات برای استخراج مشخصات هدف برای رزولوشن و اندازه سنسور روی دوربین استفاده می شود.

اما اولاً: رزولوشن دقیقاً چیست؟ در عکاسی کلاسیک، رزولوشن به حداقل فاصله بین دو نقطه یا خط واقعی در یک تصویر اشاره دارد به طوری که بتوان آنها را به عنوان نقاط مجزا درک کرد.

در قلمرو دوربین‌های دیجیتال، اصطلاحاتی مانند رزولوشن 2 مگاپیکسل اغلب استفاده می‌شود. این به چیز کاملاً متفاوتی اشاره دارد، یعنی شمارش کل پیکسل‌ها روی سنسور، اما به معنای دقیق آن رزولوشن آن نیست. رزولوشن مناسب فقط زمانی قابل تعیین است که بسته کلی دوربین، لنز و هندسه، یعنی فاصله‌های مورد نیاز توسط تنظیمات، در جای خود قرار گیرد. نه اینکه تعداد پیکسل‌ها نامربوط باشد – برای دستیابی به رزولوشن بالا به تعداد زیادی پیکسل نیاز است. در اصل، تعداد پیکسل‌ها حداکثر رزولوشن را در شرایط بهینه نشان می‌دهد.

اگر بتوان ویژگی‌ها را از طریق رنگ آن‌ها (مانند لکه‌های قرمز روی سیب) تشخیص داد، اغلب – اما نه همیشه – به رنگ نیاز است. با این حال، این ویژگی‌ها را نیز در بسیاری از موارد می‌توان در تصاویر سیاه و سفید از یک دوربین تک‌رنگ انتخاب کرد اگر از نورپردازی رنگی استفاده شود. آزمایش‌ها روی نمونه‌های کامل می‌تواند در اینجا کمک کند. اگر رنگ مرتبط نباشد، دوربین‌های تک‌رنگ ترجیح داده می‌شوند، زیرا دوربین‌های رنگی ذاتاً حساسیت کمتری نسبت به دوربین‌های سیاه و سفید دارند.

آیا شما با یک کار بازرسی بسیار پیچیده کار می‌کنید؟ اگر چنین است، ممکن است بخواهید از چندین دوربین استفاده کنید، به ویژه اگر نیاز به ثبت طیف وسیعی از ویژگی‌های مختلف باشد، که هر کدام نیاز به پیکربندی نورپردازی یا اپتیک متفاوتی دارند.

عملکردهای دوربین و کیفیت تصویر

هنگام ارزیابی کیفیت تصویر یک دوربین دیجیتال، رزولوشن یکی از عوامل مهم در کنار موارد زیر است:

• حساسیت به نور
• دامنه دینامیکی
• نسبت سیگنال به نویز

از نظر عملکردهای دوربین، یکی از مهم‌ترین آن‌ها سرعت است که معمولاً بر حسب فریم در ثانیه (fps) بیان می‌شود. این مقدار حداکثر تعداد فریم‌هایی را که می‌توان در هر ثانیه ضبط کرد، تعریف می‌کند.

چشم دوربین: مقیاس و عملکرد لنز

سیستم‌های نوری خوب گران هستند. در بسیاری از موارد، یک لنز استاندارد برای انجام کار کافی است. برای تصمیم‌گیری در مورد آنچه مورد نیاز است، به اطلاعاتی در مورد پارامترهایی مانند موارد زیر نیاز داریم:

• رابط لنز
• اندازه پیکسل
• اندازه سنسور
• مقیاس تصویر، به این معنی که نسبت بین اندازه تصویر و اندازه شیء است. این با نسبت اندازه پیکسل‌های منفرد تقسیم بر رزولوشن پیکسل مطابقت دارد (رزولوشن پیکسل طول لبه‌های یک مربع در داخل جسم مورد بازرسی است که باید دقیقاً یک پیکسل از سنسور دوربین را پر کند).
• فاصله کانونی لنز که مقیاس تصویر و فاصله بین دوربین و شیء را تعیین می‌کند.
• شدت نور

پس از در دسترس بودن این اطلاعات، بررسی مشخصات فنی سازندگان لنز برای بررسی اینکه آیا یک لنز استاندارد مقرون به صرفه کافی است یا اینکه نیاز به ورود به لنزهای رده بالاتر است بسیار آسان‌تر می‌شود.

ویژگی‌های لنز مانند اعوجاج، رزولوشن (توصیف شده با استفاده از منحنی MTF)، انحراف رنگی و محدوده طیفی که لنز برای آن بهینه شده است، به عنوان معیارهای انتخاب اضافی عمل می‌کنند.

به عنوان مثال، لنزهای خاصی برای مادون قرمز نزدیک، لنزهای زاویه فوق العاده باز (‘چشم ماهی’) و لنزهای تلسنتریک وجود دارند که برای اندازه گیری طول به طور ویژه مناسب هستند. با این حال، این لنزها معمولاً با قیمت بالایی همراه هستند.

در اینجا نیز قانون این است: آزمایش‌ها و عکس‌های نمونه بهترین راه برای رفع سوالات باز است.

نورپردازی

دیدن هر چیزی در نور ضعیف سخت است: ممکن است بدیهی به نظر برسد، اما برای سیستم‌ پردازش تصویر نیز صادق است.

بهینه سازی روشنایی تصویر

سرعت‌های بازرسی بالا اغلب به دوربین‌های حساس و لنزهای روشن نیاز دارند. با این حال، اغلب می‌توان با تلاش کمتر تنظیمات نورپردازی را اصلاح یا بهینه کرد و به همان افزایش روشنایی تصویر دست یافت. چندین روش برای دستیابی به روشنایی بیشتر تصویر وجود دارد: افزایش نور محیط، شکل دادن به نور، به عنوان مثال با استفاده از لنزها یا فلاش‌هایی با منبع نور مناسب. با این حال، نه تنها شدت نور مهم است، بلکه نحوه عبور نور از جسم و رسیدن به دوربین نیز مهم است.

همه ما مثال عکاسی را می‌دانیم: نور محیط معمولاً پخش شده است، اما اگر این کافی نباشد، از فلاش استفاده می‌شود که بسیار جهت‌دارتر است – و سپس معمولاً بازتاب‌های ناخواسته از سطوح صاف در تصویر وجود دارد که جزئیات واقعی را پنهان می‌کنند. با این حال، در بینایی ماشین، چنین اثراتی می‌توانند برای دستیابی به شدت نور بالا بر روی سطوح صاف کمتر بازتابنده مطلوب باشند. نور پخش شده برای اشیاء با سطوح متعدد که در جهات مختلف منعکس می‌شوند مناسب‌تر است.

الزامات سخت‌افزار و نرم‌افزار کامپیوتر برای سیستم پردازش تصویر

سخت‌افزار کامپیوتر

سخت‌افزاری که مورد نیاز است به وظیفه و سرعت پردازش مورد نیاز بستگی دارد. در حالی که کارهای ساده را می‌توان با سخت‌افزار رایانه شخصی و بسته‌های  سیستم پردازش تصویر استاندارد انجام داد، ممکن است کارهای پردازش تصویر پیچیده و سریع به سخت‌افزار تخصصی نیاز داشته باشند.

نرم‌افزار

برای ارزیابی تصاویر به نرم‌افزار نیاز است. اکثر دوربین‌ها همراه با نرم‌افزاری برای نمایش تصاویر و پیکربندی دوربین عرضه می‌شوند. این برای راه‌اندازی دوربین کافی است. وظایف پردازش تصویر و برنامه‌های کاربردی خاص به نرم‌افزار خاصی نیاز دارند که یا خریداری شده‌اند یا به صورت سفارشی توسعه یافته‌اند.

خلاصه و نتیجه گیری

قبل از شروع طراحی یک سیستم پردازش تصویر، باید ملاحظات مختلفی را برای تمام اجزای مورد استفاده، از دوربین و اپتیک آن گرفته تا نورپردازی و سخت‌افزار و نرم‌افزار رایانه‌ای که از سیستم پشتیبانی می‌کنند، در نظر گرفت.

این وظایف زمانی که گام به گام انجام شوند کاملاً قابل مدیریت هستند، تا زمانی که از قبل برای روشن کردن وظیفه و شرایط چارچوب وقت صرف شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این موضوع، لطفاً به دیگر مقالات ما در پایگاه دانش رجوع کنید.