Slovníček pojmů

Slovníček pojmů machine vision

Astigmatismus

je vada, kdy při zobrazení roviny kolmé k optické ose dochází k tomu, že body v navzájem kolmých osách se nezobrazí ve stejné vzdálenosti. Astigmatismus také způsobuje rozdílné zobrazení, pokud paprsek dopadá na optickou soustavu kolmo nebo pod úhlem. Vzdálenost mezi body na optické ose, v nichž se protínají paprsky ze vzájemně kolmých os, se nazývá astigmatický rozdíl. Úsečky v těchto bodech se nazývají fokály. Astigmatismus je možné odstranit kombinací čoček. Výsledná soustava čoček, u níž se astigmatismus projevuje jen velmi málo, se nazývá anastigmát. Astigmatismus se projevuje zejména při zobrazování předmětů, které pozorujeme pod velkým zorným úhlem (např. při fotografování). Naproti tomu u dalekohledů je zorný úhel poměrně malý, takže se u nich astigmatismus neprojevuje. Zpět na seznam

Barevná vada (chromatická vada)

je vada, která souvisí s tím, že ohnisková vzdálenost čočky závisí na indexu lomu a ten se mění podle barvy použitého světla (tedy podle vlnové délky). Bílé světlo je však složeno z různých vlnových délek a každá jeho složka (tzn. každá barva) se při průchodu čočkou láme trochu jinak. Při průchodu čočkou s barevnou vadou tedy dochází k rozkladu světla. V důsledku této vady je obrazem bodu bod určité barvy, který je obklopen mezikružími jiných barev. Chromatickou vadu lze alespoň částečně odstranit vhodnou kombinací spojných a rozptylných čoček, což se nazývá achromatizace optické soustavy. Zpět na seznam

C/CS-Mount

C-Mount = jeden z typů uchycení objektivů. C-Mount se běžně vyskytuje u 16mm filmových kamerách, televizních kamerách s uzavřeným okruhem, kamerách pro strojové vidění a mikroskopech. C-Mount objektiv má vnější závit o průměru 25,4 mm, s 32 závity na palec. Dle normy ANSI B1.1 pro jednotné závitové označení je označován jako "1-32 UN 2A". Příruba objektivu je vzdálená 17.526mm od roviny snímacího prvku (senzor CCD, CMOS). Tato vzdálenost se nazývá „Flange Focal Distance (FFD)“.

CS-Mount = téměř shodný s C-Mount. Jediným rozdílem je jeho „Flange Focal Distance“, která je 12,526mm. Kromě výše uvedených zařízení se používá v komerčních CCTV kamerách.

V praxi to znamená, že pokud je objektiv C-Mount a kamera má přírubu CS-Mount, lze tento objektiv s danou kamerou použít pouze s přídavným mezikroužkem 5mm (vzdálenost FFD pak bude těch požadovaných 17,526mm). Obráceně to však nejde – objektiv s CS-Mount závitem lze připojit na kameru pouze s přírubou CS-Mount (při připojení na C-Mount kameru nelze obraz zaostřit). Zpět na seznam

CCD

je elektronická součástka používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve videokamerách, digitálních fotoaparátech, faxech, scannerech, čtečkách čárových kódů, ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické dalekohledy (včetně například Hubbleova teleskopu). Zkratka CCD pochází z anglického Charge-Coupled Device, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji. CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomu dokáže převést některý z jeho elektronů ze základního do tzv. excitovaného stavu. Odevzdá mu přitom energii a v polovodiči se takto uvolněný elektron může podílet na elektrické vodivosti respektive je možno ho z polovodiče odvést pomocí přiložených elektrod tak, jak se to děje například u běžné fotodiody. Ta proto po dopadu světla vyrábí elektrický proud. Stejně fungují i fotočlánky, které se používají jako zdroj elektrické energie. U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO2, který se chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč. Činnost CCD se skládá ze tří fází: příprava CCD, expozice obrazu a snímání obrazu. CCD transportuje elektrický náboj přes celý snímač až ke kraji, kde je vyčítán. Zpět na seznam

Clona

je zařízení (otvor, jehož velikost se dá podle potřeby měnit), které reguluje množství světla procházejícího objektivem. Funguje na podobném principu jako lidská oční zornička a kontroluje množství světla, které dopadá na fotocitlivý materiál nebo obrazový snímač. Zpět na seznam

Clonové číslo

je poměr ohniskové vzdálenosti a průměru vstupní čočky. Udává světelnost objektivu. Zpět na seznam

CMOS

technologie CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) je používaná na převážnou většinu integrovaných obvodů. Používá se na výrobu čipů včetně mikroprocesorů, jednočipových počítačů a elektronické paměti typu SRAM, ale také například na obrazové senzory. Mezi nejdůležitější vlastnosti CMOS patří vysoká odolnost proti šumu a nízká spotřeba ve statickém stavu. Více energie se spotřebovává pouze na přepínání mezi zapnutým a vypnutým stavem tranzistoru, proto CMOS nespotřebovává tolik energie jako například nMOS nebo TTL. CMOS také umožňuje vyšší hustotu prvků na čipu. Většina současných CMOS snímačů funguje na principu použití tranzistoru u každého pixelu, který zesílí a odvede elektrický signál přímo od něj (pro představu, jako by od každého pixelu vedl elektrický vodič). Takovýmto CMOS snímačům se říká aktivní (APS – Active Pixel Sensors). U CMOS snímače může být tedy každý pixel vyhodnocen individuálně, nezávisle na hodnotách elektrického náboje v okolních pixelech. Výroba takového CMOS obrazového snímače má velmi blízko k výrobnímu procesu klasických mikroprocesorů. Zpět na seznam

Flange Focal Distance (FFD)

Flange Focal Distance, někdy také nazývaný Flange Focal Length, je vzdálenost od montážní příruby (kovový kroužek na kameře a na zadní straně objektivu) k rovině filmu. Tato hodnota se liší pro různé kamerové systémy. Rozsah této vzdálenosti, který vykreslí obraz jasně zaostřený ve všech ohniskových délkách, se obvykle měří s přesností na setiny milimetrů. Tato vzdálenost ovlivňuje, zda objektiv z jednoho systému lze namontovat bez nebo s pomocí adaptéru na tělo kamery jiného systému. Zpět na seznam

FPS

počet snímků za sekundu (Frame per Seconds). Zpět na seznam

Hloubka ostrosti

vyjadřuje rozdíl vzdálenosti nejbližšího a nejvzdálenějšího předmětu, které se na výsledném snímku ještě lidskému oku jeví jako ostré. Chápání hloubky ostrosti vychází z definice ostrého a neostrého obrazu. Lidské oko má omezenou rozlišovací schopnost. Rozpozná dva body, jenom pokud jejich úhlová vzdálenost je vyšší než zhruba 1 úhlová minuta. Pokud jsou dva body blíže, začnou zdánlivě splývat do jediného bodu. Nakreslíme-li si okolo libovolného bodu kružnici s úhlovým poloměrem 1 minuta, pak všechny body ležící uvnitř této kružnice budou splývat s původním bodem a všechny body vně této kružnice budou vidět jako samostatné body. Zpět na seznam

Neuronová síť

Jedná se o jeden z výpočetních modelů používaných v umělé inteligenci a vycházející z principu fungování lidského mozku, resp. tak, jak si myslíme, že mozek funguje. Uměle vytvořené neurony jsou propojeny v několika vrstvách, reagující na podněty a přenášející informace k dalšímu zpracování. Neuronová síť se dokáže sama učit a hodí se všude tam, kde klasické programování by bylo časově náročné, a někdy i nemožné. V aplikacích strojového vidění se např. využívá k rozpoznávání tváří, ke klasifikaci produktů, k zjišťování různých vad na výrobku (škrábance, otlaky, suky ve dřevě) a dalších. Zpět na seznam

Ohnisková vzdálenost

je vzdálenost čočky od jejich ohniska nebo jinak řečeno se jedná o vzdálenost od optického středu čočky takového bodu, do kterého čočka promítne obraz z nekonečna. Fyzikálně jednoznačnou definici ohniskové vzdálenosti vyslovil C. F. Gauss: „Ohnisková vzdálenost předmětového (obrazového) prostoru je podíl lineární velikosti obrazu (předmětu) v ohniskové rovině k zdánlivé velikosti předmětu (obrazu) nekonečně vzdáleného.“ Z toho vyplývá, že obecně mohou existovat pro daný optický systém dvě různé hodnoty ohniskové vzdálenosti, jedna pro prostor, kde se nachází předmět, tedy „před“ optickým systémem (tzv. předmětové ohnisko), druhá pro prostor, kde se vytváří obraz, tedy „za“ optickým systémem (tzv. obrazové ohnisko). Převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti se nazývá optická mohutnost a měříme ji v dioptriích. Zpět na seznam

Pixel

zkrácení anglických slov picture element, obrazový prvek; jedná se o nejmenší jednotku digitální rastrové (bitmapové) grafiky. Představuje jeden bod obrázku zadaný svou barvou, např. ve formátu RGB či CMYK. Body tvoří čtvercovou síť a každý pixel je možné jednoznačně identifikovat podle jeho souřadnic. Zpět na seznam

Rozlišení kamery

počet pixelů, kterými může být obraz zachycen. Jako první se udává počet sloupců (šířka senzoru v pixelech) a následně počet řádků (výška senzoru v pixelech). Zpět na seznam

Standardy strojového vidění

Rozšíření průmyslové automatizace, hlavně v oblasti strojového vidění, poskytly základy pokroku při automatických kontrolních a analytických aplikacích založených na zpracování obrazu. Tato technologie však přichází s hardwarovými výzvami – kamery a jejich kabeláž musí být často používány v náročných podmínkách, a tím pádem musí odolávat stálému namáhání a zatížení. Na základě výše uvedeného byly v roce 2006 představeny GigE Vision Standardy a v roce 2013 taktéž USB3 Vision Standardy.

USB3 Vision Standard

Rozhraní USB3 Vision Standard je postaveno na standardním vysokorychlostním USB 3.x rozhraní zavedený v roce 2013 pro průmyslové kamery. Na základě toho popisuje specifikace se zvláštním zaměřením na podporu vysoce výkonných kamer. Je uznáván jako jeden z nejrychleji rostoucích standardů strojového vidění. Od října 2019 je nejnovější verze standardu ve verzi 1.1.

Propagátorem a zaštiťující asociací je AIA (Automated Imaging Association, Global Vision Systems Trade Association – www.visiononline.org). Společnosti, vyvíjející a vyrábějící produkty na základě tohoto standardu, musí projít testy shody a být licencováni. Ke konci roku 2019 existuje 42 společností, které udělují licenci na USB3 Vision Standard.

USB3 Vision Standard je postaven na mnoha stejných částech jako GigE Vision a je založen na protokolu GenICam, ale využívá USB porty místo Ethernetu. Mezi výhody této normy patří jednoduchá použitelnost „plug & play“, PoE napájení a velká šířka pásma. Dále norma definuje konektory jištěné šroubováním oproti standardním USB konektorům.

GigE Vision Standard

Podobně jako USB3 Vision Standard, tak i GigE Vision Standard je standardizovaným rozhraním pro průmyslové zpracování obrazu digitálními kamerami, které vznikly v oblasti strojového vidění. Použitím standardů GigE umožňuje průmyslovým kamerám bezproblémovou integraci do stávajících síťových systémů.

Standardizovaný systém podrobně

Pro efektivní implementaci požadavků a záměrů aplikace jsou důležité podrobnosti o obecném systémovém řešení, a musí být také známy a používány ve správném rozsahu.

Vision Standard – Architektura systému

I když současné kamery se standardem strojového vidění (GigE Vision nebo USB3 Vision) „fungují“ bez softwarového balíčku specifického pro výrobce, musí být nutně zachována základní architektura systému a v systému musí být přítomna.

Úroveň hardwaru je založena na zavedených technologiích a metodách připojení pro přenos dat z kamery a komunikačních protokolů (např. USB, Gigabit Ethernet). Software zařízení (ovladače a knihovny uživatelského prostoru) používá API rozhraní pro komunikaci mezi přenosovým kanálem kamery a uživatelskou aplikací.

S použitím protokolu komunikace GenICam, definujícím programové rozhraní, je zajištěna nezávislost na komunikačním rozhraním a přenosem dat.

Obrázek: Standardizace rozhraní navyšuje četnost aplikací pro použití kamer pro strojové vidění

Vision Standard – Nezávislost přináší nové příležitosti

Kamery kompatibilní s Vision Standardy mohou nyní pracovat s pomocí „Generic Transport Layer“ (GenTL) nezávislého na výrobci. GenAPI (Generic Application Programming Interface) umožňuje výpis a konfiguraci dostupných funkcí kamery analýzou standardního XML souboru pro kameru. Obsah tohoto souboru popisuje všechny implementované funkce kamery pomocí syntaxe definované v modulu GenAPI, na základě specifikace GenICam – názvy funkcí, seznamy parametrů, rozšířené informace, popis funkce. V souboru XML jsou taktéž popsány i tipy nástrojů, jejichž funkce aplikace zobrazí. Obrazně by se dalo říct, že kamera poskytuje svůj vlastní programovací manuál.

Nezáleží tedy na tom, zda se jedná o standardní funkce definované v GenICam SFNC (Standard Feature Naming Convention) nebo speciální „vlastní funkce“, které jsou k dispozici pouze od jednoho výrobce, ale jsou implementovány v souladu se standardem.

Obrázek: Komunikace zařízení pomocí GenAPI – konkrétní adresy registrů definující názvy funkcí

Technicky řečeno, nezávislost výrobců hardwaru a softwaru je definována standardem a je považována za „žádoucí“. Avšak pouze kamera je 100% nezávislá. Výrobci, popřípadě vývojáři aplikací podporující protokol GenICam, informují uživatele, které kamery jsou s jejich protokolem kompatibilní. To někdy může být pro uživatele netransparentní, obzvlášť při nahrazení jednoho typu kamery druhým.

Nezávislost automaticky vede k řadě nových možností jak pro výrobce kamer, tak pro uživatele. Nový model kamery nebo nový firmware kamery lze poskytnout za mnohem kratší dobu, protože pro provoz kamery není nutná žádná adaptace, dokumentace a zveřejnění hostitelského softwaru.

Nezávislost automaticky znamená zvýšenou kompatibilitu platformy. Se standardními přenosovými protokoly, jako je GigE Vision nebo USB3 Vision, mohou kamery fungovat na jakékoli platformě podporující GenICam, v jakémkoli operačním systému včetně transportní vrstvy, a to i tehdy, nepochází-li od stejného výrobce. Zpět na seznam

Strobe

v případě kamer uEye se jedná o digitální výstup, který řídí osvětlení (záblesk) scény. Zpět na seznam

Světelnost objektivu

je bezrozměrná hodnota, jejímž smyslem je informace o podílu propuštěného světla optickou soustavou, na niž se údaj vztahuje. Obvykle je udávána jako číslo jmenovatele ve zlomku s čitatelem 1. Je to tedy podíl světla, který soustava propustí. Například teoreticky objektiv, který propustí veškeré světlo v úhlu záběru, by měl tedy ve jmenovateli 1 (1/1), tedy světelnost 1. Reálné optické soustavy vždy část světla pohltí a mají tedy číslo světelnosti vyšší (např. 2 = propustí 1/2 = polovinu, 5 propustí 1/5 – pětinu, apod.). V některých případech je světelnost udávána zlomkem, jehož čitatel má hodnotu f, tedy např. f/6. Světelnost soustavy lze regulovat zacloněním směrem k vyšším hodnotám, tedy k nižší propustnosti. Zpět na seznam

Trigger

spouštěcí signál, který udává, v jakém okamžiku má dojít k sejmutí obrazu. Používá se hlavně tam, kde je plynulá výroba a je nutné přesně definovat okamžik snímání. Jako akční členy mohou sloužit různá čidla a senzory (indukční, kapacitní, optické nebo i mechanické). Zpět na seznam

Umělá inteligence v průmyslových kamerách

Umělá inteligence (AI – Artificial Intelligence) otevírá nové oblasti aplikací s využitím průmyslových kamer a zpracování obrazu. Uživatelé potřebují nasnímat pouze dobré a špatné kusy a pomocí neuronové sítě provést vyhodnocení. V praxi to znamená, že lze řešit úlohy zpracování obrazu s výrazně měnícími se objekty – jako je např. klasifikace různých typů ovoce, identifikace vadných částí (např. jablka s tlakovými značkami nebo barevnými odchylkami), různé škrábance a otlaky na vyráběných dílech, apod.. Programově popsat všechny odchylky od klasického zpracování obrazu by bylo časově náročné, a tudíž nákladné. S pomocí umělé inteligence to však jde udělat „mrknutím oka“ a bez předchozích znalostí. Zpět na seznam

Vady optických soustav

žádná optická soustava se nechová ideálně. Při zobrazování předmětů vznikají různé vady a deformace. Mezi nejčastější vady patří: barevná vada, zkreslení, astigmatismus, sférická vada, zklenutí a koma. Zpět na seznam

Velikost senzoru

je obvykle udávána v palcové míře: 1/3“, 1/1,8“, 1/2" nebo 2/3“ a podobně. Označení vychází z historického označování rozměrů snímacích elektronek v televizních kamerách v 50. letech. Míra se netýká přímo snímače, ale skleněného obalu kolem snímače. Z historických důvodů se toto podivné měření udrželo. Reálná velikost úhlopříčky snímače je přibližně 2/3 uváděné velikosti v palcové míře. Např. velikost úhlopříčky 1/2" senzoru není 12,5mm (25 : 2), ale právě 2/3 této hodnoty, což je 8mm. Zpět na seznam

Výpočet hloubky ostrosti

pro výpočet hloubky ostrosti můžete použít tuto kalkulačku . Hloubka ostrosti je obecně při práci jedním z důležitých prvků zásadním způsobem ovlivňující kvalitu výsledného snímku a vzhledem k tomu je nutno věnovat ji náležitou pozornost. To platí zvláště při makrofotografii, kde se hloubka ostrosti pohybuje většinou v řádech několika milimetrů.

Hloubku ostré kresby lze vypočítat také pomocí výrazu:

h = 2 zc [(1+m)/m2]

kde: c = clonové číslo, m = je příčné zvětšení, z = průměr rozptylového kroužku (nejčastěji se udává, že se velikost rozptylového kroužku rovná 1/1000 až 1/500 ohniskové vzdálenosti objektivu). Rozptylový kroužek je vlastně ploška, jejíž velikost ohraničuje to, co ve fotografii považujeme za bod (taková hranice je možná díky nedokonalosti lidského oka). Tato povolená neostrost vymezuje v předmětovém prostoru vzdálenosti, mezi kterými při daných vlastnostech objektivu leží předměty, které se zobrazí s ještě přípustnou neostrostí, nepřesahující velikost rozptylového kroužku. Zpět na seznam

Zkreslení obrazu

ke zkreslení dochází tehdy, je-li zvětšení vnějších částí předmětu odlišné od zvětšení vnitřních částí. Zkreslení lze dobře vidět pomocí tzv. rastru. Pokud jsou vnější části předmětu zvětšeny více, mluvíme o poduškovitém zkreslení, jsou-li naopak zvětšeny méně než vnitřní části, pak se jedná o zkreslení soudkovité. Soustava, u níž nedochází ke zkreslení, se nazývá ortoskopická. Zpět na seznam

Zorné pole

je část prostoru, které je objektiv schopen zachytit a ze kterého do něj přicházejí světelné paprsky.
Zorný úhel – je číselným vyjádřením zorného pole. Ve vědeckých a odborných pracích se obvykle určuje jako úhel (úhlová vzdálenost) od osy přístroje po nejzazší efektivně pozorovatelný bod v daném směru. V praxi se však často zorný úhel bere jako úhel mezi dvěma krajními pozorovatelnými body ve vodorovné nebo svislé rovině. Jeho hodnota je pak dvojnásobná oproti předchozímu („vědeckému“) vyjádření. Zpět na seznam

Nenašli jste ve slovníčku nějaký pojem z oblasti strojového vidění? Kontaktujte nás, rádi vaše dotazy zodpovíme a slovníček pro vaše potřeby doplníme.

Pokud chcete být pravidelně informováni o novinkách nejen ze světa analýzy obrazu, přihlaste se k odběru našeho newsletteru .