کاربرد پردازش تصویر در وضوح تصویر

در این مطلب از وب سایت نوین ایلیا صنعت، می‌خواهیم شما را با یکی دیگر از فاکتورهای مهم و اصلی تصویر، یعنی وضوح آشنا کنیم، پس با ما همراه باشید. برای دوربین‌‌های تجاری در بازار مصرفی، وضوح تصویر بیشتر مساوی با کیفیت بهتر است. در حوزه بینایی ماشین بهتر است شما دوربینی را انتخاب کنید که دارای حداقل وضوح تصویر، وابسته به کاربرد شما باشد. در حقیقت تنها مهندس باتجربه دستگاه قادر است تا میزان وضوح تصویر مورد نیاز را با پارامترهایی همچون تعریف Pixel محاسبه کند. هر چند که برای دو کاربرد معمول قانون‌‌های سرانگشتی زیر نیز وجود دارند:

• آشکارسازی یک شیء: اگر حضور و یا عدم حضور یک شیء باید بررسی شود؛ این شیء باید حداقل با ۳*۳ پیکسل مشخص شود.
• اندازه‌ گیری یک شیء: اگر ابعاد جسمی باید اندازه‌‌گیری شود؛ تصویر باید حداقل ۱۰*۱۰ پیکسل باشد.

وضوح (Resolution) یک جنبه کلیدی است که هنگام انتخاب دوربین و سنسور بینایی ماشین باید برای برنامه شما در نظر گرفته شود. وضوح به کوچک‌ترین ویژگی‌های نوری، مانند خطی که باید از خط دیگر متمایز شود، اشاره دارد. برخی از عوامل موثر بر وضوح در زیر برشمرده شده است:

• تعداد پیکسل‌های تشخیصی سنسور از تصویر
• کیفیت اپتیک برای نگاشت تصویر به سنسور
• بزرگ‌نمایی و نحوه نمایش پیکسل‌های تصویر ارائه شده از شی

وضوح چیست؟

اصطلاح «رزولوشن» را می‌توان با مقدار جزئیاتی از شی که یک سیستم تصویربرداری می‌تواند بازتولید کرده و تشخیص دهد، تعریف کرد. به عبارت دیگر، این پارامتری است که کنترل می‌کند که ویژگی‌های مورد علاقه شما چقدر واضح باشند و یا با چه جزئیاتی ظاهر شوند. شما می‌توانید وضوح لازم برای سیستم تصویربرداری خود را با اندازه‌گیری واحدهای واقعی اشیا، اندازه کوچک‌ترین ویژگی که باید توسط سیستم شما شناسایی شود، تعیین کنید. به عنوان مثال، اگر هدف برنامه بینایی ماشین، تشخیص عیوب باشد، این واحدها ممکن است برای خراش‌های کوچک یا عیوب فیزیکی به ترتیب میکرون یا میلی‌متر باشد. در مورد تشخیص شی، کوچک‌ترین ویژگی ممکن است بعد جسم باشد. برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق، حداقل دو پیکسل باید کوچک‌ترین ویژگی مورد علاقه‌ای را که می‌خواهید در یک تصویر دیجیتالی تشخیص دهید، تشکیل دهند. در تئوری، دو پیکسل حداقل معیار برای تمایز است، اما شما باید حداقل چهار تا پنج پیکسل در عمل داشته باشید. این اطلاعات می‌تواند به شما در انتخاب دوربین و لنز مناسب برای برنامه تصویربرداری و بینایی ماشین کمک کند. بنابراین، وضوح در درجه اول به سه پارامتر مختلف بستگی دارد که عبارت‌اند از:

حداقل اندازه ویژگی (MFS)

حداقل اندازه ویژگی یا MFS پارامتری است که به جزئی‌ترین ویژگی مورد علاقه برنامه بینایی ماشین اشاره دارد. فرض کنید در صنعت داروسازی باید کیفیت کپسول‌ها را بررسی کنیم و کپسول‌های دارای خراش یا ترک را جدا کنیم. سپس حداقل اندازه ویژگی، اندازه آن ترک‌ها (احتمالاً برحسب میلی‌متر) است.

میدان دید (FOV)

میدان دید کل مساحتی است که باید توسط دوربین، تصویربرداری شود. فرض کنید سه کپسول را در یک زمان بررسی می‌کنیم. FOV ناحیه‌ای است که توسط سه کپسول اشغال شده است.

وضوح پیکسل (PR)

تعداد پیکسل‌های مورد نیاز برای تعیین حداقل اندازه ویژگی (MFS) است. می‌توان گفت که هر چه وضوح پیکسل بالاتر باشد، کیفیت تصویر بالاتر خواهد بود. برای تشخیص عیوب، وضوح پیکسل باید پنج یا بیشتر باشد.

رزولوشن در دوربین های صنعتی

رزولوشن برای دوربین‌های صنعتی علاوه بر تعداد پیکسل، شامل مجموعه‌ای از الزامات دیگر از جمله اندازه و شکل پیکسل، حساسیت، نرخ فریم (Frame Rate)، کنترل نوردهی کامل تصویر و مشخصه‌های راه‌اندازی، محدوده دینامیکی، پاسخ طیفی، پیش‌پردازش تصویر، اسکن جزئی، بازخوانی چند ناحیه همزمان و کنترل توالی است. علاوه بر این، دوربین‌ها با استاندارد رابطی که برای انتقال داده‌ها به کامپیوتر میزبان برای اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل استفاده می‌کنند، مشخص می‌شوند (مانند CameraLink ،GigE Vision ،USB3 Vision ،CoaXPress ،CameraLink HS و غیره).

رزولوشن در استفاده از دوربین‌ های اسکن خطی

دو ملاحظه یا ویژگی کلیدی در استفاده از دوربین‌های اسکن خطی، حرکت و تراز است. حرکت نسبی بین نمونه و دوربین برای اجازه دادن به تصویر ضروری است و سرعت حرکت باید متناسب با نیاز تصویربرداری خاص باشد و هیچ گونه تغییری نداشته باشد، در غیر این صورت اعوجاج در تصویر ظاهر می‌شود. به طور مشابه، تراز دوربین بسیار مهم است، زیرا اگر در سنسور دوربین اسکن خط، خط عمود بر جهت حرکت نباشد، تصویر حاصل دارای کجی خواهد بود. یک فن‌آوری پیشرفته اخیر با استفاده از رویکرد اسکن خطی، معرفی سنسورهای تصویر تماسی است. اینها مانند دستگاه‌های فکس و اسکنرها عمل می‌کنند، اما با وضوح، سرعت و رابط بسیار بالاتر. مزایای آن شامل کاهش فاصله کار، حذف اعوجاج لنز و تنظیم آسان‌تر است. با این حال، استفاده از فناوری تغییر پیکسل، قابلیت وضوح سنسورهای اسکن ناحیه را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. دوربین‌های بینایی صنعتی برندهای باسلر (Basler) و سنسوپارت (SensoPart) دارای سنسورهای CMOS به روز دنیا بوده که می‌توانند وضوح (رزولوشن) چندین میلیون پیکسلی ارائه دهند.

نحوه انتخاب رزولوشن مناسب

𝐹𝑂𝑉(𝑙𝑒𝑛𝑡𝑔ℎ) = 𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝐴𝑐𝑐𝑢𝑟𝑎𝑐𝑦

1𝑝𝑥 ∗ 𝑁𝑦𝑞𝑢𝑖𝑠𝑡𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

• FOV: طول محدوده دید
• Pixel: تعداد کل پیکسل مورد نیاز
• Accuracy :بیشترین دقت مورد نیاز
• NyquistFactor: تعداد پیکسل برای کوچک‌ترین دقت (۱، ۲ و یا ۴ پیکسل)

مثال: اگر جسمی با ابعاد 30 در 20 سانتی‌متر داشته باشیم و این جسم بر روی کانوایری به عرض 40 سانتی‌متر قرار داشته باشد. در صورتی که خواهان ثبت تصویر جسم با دقت 1.5 میلی‌متر باشیم؛ به چه دوربینی نیازمند هستیم؟

400mm = 𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 1.5𝑚𝑚

1𝑝𝑥 ∗ 2

𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 533𝑝𝑥

نحوه انتخاب لنز مناسب در سایت باسلر

برای انتخاب لنز مناسب، کافی است به وب سایت باسلر مراجعه نموده و پس از انتخاب مدل دوربین پارامترهای معین شده را وارد نمایید. پارامترهای قابل انتخاب شامل فاصله کانونی، فاصله کاری (فاصله جسم تا دوربین)، عرض و ارتفاع جسم می‌باشند.

نحوه انتخاب لنز مناسب برای دوربین‌ های اسکن خطی و منطقه ای

پارامترهای قابل ذکر شامل اندازه سنسور (قطر سنسور)، طول جسم، فاصله کانونی می‌باشند. لازم به ذکر است در صورتی که اندازه سنسور باسلر در لیست موجود نباشد؛ شما قادر هستید تا مقدار دلخواه خود را وارد نمایید.

فرآیند جابه‌جایی و شیفت پیکسل

فرآیند جابه‌جایی و شیفت پیکسل منجر به ارائه تصویر با وضوح بهتر می‌شود. در مقایسه با تصویر خروجی استاندارد ترکیب تصویر در نرم‌افزار روی کامپیوتر پردازش‌گر انجام می‌شود. یک روش مشابه را می‌توان با جابجایی سنسور به اندازه 3/1 پیکسل برای تولید 9 تصویر انجام داد. این دوربین‌ها در دو نسخه تک رنگ و رنگی موجود است و فرآیند تغییر پیکسل مزایای بیشتری برای تصویربرداری رنگی دارد. دوربین CCD رنگی از درون‌یابی Bayer برای تولید تصاویر رنگی استفاده می‌کند و مصنوعات ناخواسته‌ای مانند موآر رنگی یا پیکسل‌های رنگی کاذب ممکن است رخ دهد.

وضوح رنگ بهبود یافته و میدان دید بزرگ تر

دوربین‌ها با لنز و سنسورهای جدید علاوه بر مزایای بهبود وضوح، تنظیم وضوح به میزان مشخص و تغییر پیکسل در صورت نصب لنز مناسب، میدان دید بزرگ‌تری ارائه می‌دهند، به این معنی که دیگر از تکنیک‌های قدیمی‌ نقطه‌یابی و اتصال چندین تصویر به یکدیگر یا رفع نیاز به چندین تصویر استفاده نمی‌شود. این دوربین‌ها، در زمان و هزینه صرفه‌جویی می‌کنند.

ارتباط دقت و وضوح

هنگامی که یک سیگنال ویدئویی از آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌شود، داده‌های دیجیتال حاصل در حافظه ذخیره می‌گردد و توسط یک پردازشگر تصویر قابل دسترسی است. تعداد پیکسل‌های یک تصویر وضوح تصویر را مشخص می‌کند و تعداد بیت‌هایی که برای ذخیره اطلاعات روشنایی استفاده می‌شود، عمق تصویر را مشخص می‌کند. هر پیکسل دارای یک مقدار عددی است که میانگین روشنایی تصویر را در ناحیه‌ای که پیکسل در تصویر اصلی آنالوگ اشغال کرده است، نشان می‌دهد، جایی که صفر نشان‌دهنده سیاه و سفید، 255 نشان دهنده سفید، و مقادیر بین این بازه شامل تمام طیف خاکستری است (برای حافظه هشت بیتی). اگرچه دوربین دارای پیکسل‌های فیزیکی مجزا است، اما زمان دقیق بین پیکسل‌ها به دلیل تأخیر زمانی بین ارسال و دیجیتالی‌کردن مقدار آن پیکسل از بین می‌رود و باعث خطای زمانی می‌شود. با افزایش وضوح تصویر با استفاده از یک فریم بزرگ‌تر، می توان دقت سنسور دوربین را افزایش داد. از آن‌جایی که پیکسل‌های فیزیکی به‌ صورت افقی و عمودی اندازه‌های یکسانی ندارند، و فرآیند دیجیتالی‌سازی روی مرزهای پیکسل اتفاق نمی‌افتد، هر اندازه‌گیری مبتنی بر پیکسل، مقدار کالیبراسیون یکسانی را به‌صورت افقی و عمودی نشان نمی‌دهد. بنابراین، همبستگی بین فتوسایت‌ها (پیکسل‌های دوربین) و پیکسل‌های ذخیره‌شده دیجیتالی را تنها می‌توان با کالیبره کردن اندازه پیکسل در هر دو جهت افقی و عمودی تخمین زد.

تنظیم وضوح از طریق نرم‌افزار

خوشبختانه همیشه هنگام خرید دوربین صنعتی، تصمیم‌‌گیری برای وضوح پردازش تصویر مورد نیاز ضروری نیست؛ تعدادی از دوربین‌‌های CMOS در بازار وجود دارند که می‌توان وضوح تصویر آن‌ها را از طریق نرم‌‌افزار تعیین نمود. دوربین‌‌های باسلر دارای نمونه ساده‌‌ای از این کاربرد است. وضوح یک پارامتر کلیدی است که قابلیت‌های یک سیستم بینایی ماشین را تعیین می‌کند. برای اینکه برنامه‌های بینایی ماشین مانند تشخیص عیوب، خواندن OCR، تشخیص رنگ، خواندن بارکد و… به طور دقیق انجام شوند، ویژگی‌های مورد علاقه باید واضح و قابل مشاهده باشند. بنابراین داشتن یک دوربین با سنسور و لنز مناسب برای ارائه وضوح مناسب بسیار مهم است.

تأثیر پیکسل سایز و سنسور سایز در تصویربرداری

برای بررسی تاثیر سایز پیکسل در تصویربرداری مجبور به شناخت و آگاهی جزئی در مورد سایز سنسور هستیم. این دو مورد با یکدیگر تناسبی دارند که در آن در انتخاب درست دوربین مورد نیاز ما کمک بسیاری خواهد کرد. پیش از هر چیز باید یک باور غلط را از ذهن خود پاک کنیم که الزاما رزولوشن بالا با کیفیت بالا یکی نمی‌باشد و این یک باور غلط رایج و شایع می‌باشد. عوامل متعددی در کیفیت تصویر ما تاثیرگذار است از جمله نوع سنسور سایز سنسور کیفیت نور رنج یا طیف نور و …؛ هدف ما بررسی تاثیر سایز پیکسل بر کیفیت تصویر است. می‌توان گفت تعداد پیکسل بالا نشان از بالاتر بودن کیفیت تصویر نیست بلکه قابلیت بالقوه کیفیت بالای تصویر است. برای روشن‌تر شدن این موضوع مثالی را بررسی می‌کنیم. در شکل زیر دو سنسور با ابعاد مختلف ولی با تعداد پیکسل یکسان را داریم. به دلیل بزرگ‌تر بودن سایز سنسور با تعداد پیکسل یکسان سنسور سمت راست می‌توان نتیجه گرفت ابعاد پیکسل آن نیز بزرگ‌تر خواهد بود. نتیجه حاصل از این موضوع بالاتر بودن کیفیت تصویر سنسور سمت راست است زیرا سطح بیشتری برای تابش و جذب نور محیط توسط سنسور را فراهم می‌کند. برای افزایش تعداد پیکسل‌ها (افزایش رزولوشن) با توجه به مثالی که زده شد دو راه حل وجود دارد. راه اول افزایش سایز سنسور و راه دوم کاهش سایز پیکسل.

برای افزایش تعداد پیکسل‌ها (افزایش رزولوشن) با توجه به مثالی که زده شد دو راه حل وجود دارد. راه اول افزایش سایز سنسور و راه دوم کاهش سایز پیکسل.

سایز سنسور

هر چقدر سایز سنسور را بزرگ‌تر کنیم، تعداد پیکسل بیشتری در آن می‌توان داشت و نتیجه آن رزولوشن بالاتر (مگاپیکسل بیشتر) است. ولی در بسیاری از موارد محدودیت در ابعاد سنسور را خواهیم داشت و نمی‌توان سایز سنسور را از مقدار مشخصی بزرگ‌تر کرد، در نتیجه راه حل دوم می‌تواند نیاز ما را برای رزولوشن بالاتر برطرف کند.

سایز پیکسل

هر چقدر سایز پیکسل را کوچک‌تر کنیم، تعداد پیکسل بیشتری در محیط یک سنسور می‌توان داشت و نتیجه آن رزولوشن بالاتر (مگاپیکل بیشتر ) است. اما این عمل همیشه منتهی به افزایش کیفیت دوربین نمی‌باشد. کار تک تک پیکسل‌های موجود بر روی سطح سنسور، گرفتن نور محیط است. هر چقدر سایز سنسور بزرگ‌تر باشد، نور بیشتری توسط سنسور جذب خواهد شد. دلیل این مسئله این است که وقتی سایز سنسور افزایش پیدا می‌کند‌، می‌توانیم اندازه پیکسل‌ها را بزرگ‌تر کنیم و نور محیط توسط این پیکسل‌ها بیشتر جذب خواهد شد. در نتیجه کیفیت تصویر ما بالاتر خواهد رفت و هر چقدر در ابعاد مشابه، یک سنسور مگاپیکسل بیشتر داشته باشیم، یعنی تعداد پیکسل بیشتر و در نتیجه سایز پیکسل کمتری خواهیم داشت. امر بالا موجب متراکم شدن پیکسل‌ها در کنار یکدیگر می‌شود. در نتیجه سطح پیکسل‌های کوچک‌تر توانایی جذب نور توسط سنسور را کاهش می‌دهد و کیفیت تصویر پایین‌تری خواهیم داشت. هر چقدر اندازه پیکسل بزرگ‌تر باشد، تصویر دارای نویز کمتر و نتیجه آن تصویر با کیفیت‌تر است. همچنین هر چه ابعاد پیکسل، کوچک‌تر باشد، جزییات تصویر برای ما بیشتر به نمایش داده می‌شود، ولی به همان نسبت نیز نویز بیشتری را خواهیم داشت.

نتیجه گیری

در مواقعی که نیاز به بزرگ‌نمایی بر روی تصویر و یا کراپ کردن تصویر باشد رزولوشن بالاتر (تعداد پیکسل بیشتر)، حتی اگر میزان نور کمتری را هم داشته باشیم، می‌تواند اطلاعات بیشتری از تصویر را به ما بدهد. برای تصویر در نور کم و نامناسب سنسور با ابعاد بزرگ‌تر و یا با سایز پیکسل بزرگ‌تر مناسب‌تر است. حاصل سنسور بزرگ‌تر کیفیت بالاتر و نویز کمتر است. در نتیجه مگاپیکسل بالاتر دلیل بر تصویر بهتر در نور نامناسب و کم نمی‌شود و باید تمامی این موارد را در کنار هم مقایسه و بررسی کرد. با این تفاسیر می‌توان نتیجه گرفت که همیشه تعداد پیکسل بالا نشان از کیفیت بالاتر نیست و نسبتی بین سایز پیکسل و سایز سنسور برقرار است.