Měření rozměru a polohy řádkovou kamerou CCD s rozhraním USB Úkoly měření: Před začátkem měření vyrovnejte kameru tak, aby optická osa byla kolmá na snímanou plochu (předloha bude upevněna na mechanickém pojezdu). Umístěte doprostřed zorného pole kamery test s jedním svislým černým pruhem a zaostřete objektiv - optimální zaostření se vyznačuje maximálně strmými hranami ve snímaném obraze. Zároveň nastavte optimální integrační dobu. V řídicím programu se nejdříve tlačítkem initialization proved inicializece kamery, nastaví se integrační doba ( integraton time ). Ve volbě capture se zvolí continual. 1) Při snímání výše zmíněného testu posuďte význam použití lineární interpolace na zpřesnění měření. Vždy proveďte měření polohy hrany bez použití interpolace a po té s ní. Vyhodnoťte rozdíly. - Jak se mění údaj o poloze hran při opakovaném měření statického testu? Na kolik desetinných míst má smysl vyjadřovat polohu hrany? - Jaký nejmenší posuv testu je detekovatelný? Při dalších měřeních používejte interpolaci. 2) Pomocí mechanického posuvu s optickým odměřováním nakalibrujte rozlišení CCD kamery. Měřicím obrazcem bude bílý list s černým svislým pruhem uprostřed. Kalibraci proveďte umístěním černého pruhu do obou krajních poloh v zorném poli CCD snímače a pomocí kurzoru (komparační úrovně) a funkce hledání hran v řídicím programu odečtěte polohu hran ve snímaném obraze. Vyjádřete činitele K 1 [mm/pix] a K 2 [mm/µm] (podíl posunu snímané předlohy na mechanickém pojezdu ku ekvivalentnímu posuvu obrazu na CCD snímači v pixelech resp. µm). 3) Rozdělte vzdálenost mezi krajními polohami testu s černým pruhem (zjištěno v bodě 2) na 12-15 stejně velkých intervalů. Postupným nastavováním polohy testu a odečtem polohy středu černého pruhu v obraze určete geometrickou linearitu objektivu. Navrhněte postup zpracování dat a do grafu vyjádřete zjištěné odchylky. Pozn.: Polohu středu černého pruhu určujte jako aritmetický průměr poloh hran pruhu. Určování polohy středu černého pruhu je na rozdíl od určování polohy jedné hrany odolnější vůči změnám osvětlení případně změnám komparační úrovně, protože tyto změny se na poloze opačných optických hran projevují s opačným znaménkem (poklesem komparační úrovně se určená poloha spádových hran posouvá doprava a poloha náběžných hran doleva). Demonstrujte tuto odolnost změnou osvětlení snímače ( např. změnou nastavení clony nebo změnou osvětlení snímané předlohy). 4) Demonstrujte možnost přesného měření rozměru černých pruhů kamerou. Změřte šířku a polohu jednotlivých pruhů černobílého proužkového testu. Pro další zpracování dat je možno uložit nasnímaná data do souboru pomocí řídicího programu. Tato data je možno načíst do programu EXCEL. 5) Při použití lineární interpolace určete nejmenší rozpoznatelnou změnu polohy objektu a změnu jeho rozměru v mikrometrech a v jednotkách fotoelementu ( rozměr v pixelech ) pro dané nastavení optické sestavy. Měření rozměru a polohy řádkovou kamerou CCD s rozhraním USB, 2014 1
6) Vyhodnoťte vliv proměnného osvětlení (zářivkou) na získané snímky při nevhodně volené době integrace. Měňte postupně dobu integrace a pozorujte výsledky. Při měření je nutno nárůst signálu spojený s delší dobou integrace kompenzovat větším zacloněním objektivu tak, aby snímač pracoval mimo saturaci. Zaznamenejte fluktuaci signálu z jednotlivých snímků vybraných dvou bodů využitím funkce záznamu signálu dvou bodů. 7) Demonstrujte působení fotonového šumu. Vyhodnoťte velikost šumu vybraných bodů při malé a při velkém osvětlení. Porovnejte výsledky. V případě použití umělého osvětlení proveďte toto měření při nastavené době integrace T int = 20 ms. Popis měřicí kamery: Kamera v sobě obsahuje řádkový snímač CCD Sony ILX551A. Snímač má 2048 aktivních obrazových elementů (pixelů) o velikosti 14 µm. Snímač nemá na čipu implementován antiblooming (ochranu proti "rozlévání" náboje po čipu v případě příliš dlouhé doby expozice). Snímač je v kameře uložen vodorovně. Měřené pruhy proto musí být umístěny svisle (směr snímače musí být kolmý na pruhy). Řízení snímače a přenos řádkových snímků do PC zajišťuje řadič USB 2.0 s vestavěným mikroprocesorem. Řídicí program na PC umožňuje nastavit režimy činnosti, jako jsou doba integrace snímače, volba průměrování pro potlačení šumů, filtrace signálu v rámci řádkového obrazu číslicovým filtrem, záznam signálu vybraných bodů pro vyhodnocení šumu a fluktuace signálu, uložení snímků v datové formě do souboru, uložení kopie obrazovky do souboru,.. Hledání hran v obraze: Pro hledání hran v obraze (zde speciálně v jednom řádku jasového profilu) se obvykle používá některá z následujících metod: komparace - signál je komparován s komparační úrovní (pevnou nebo adaptivně nastavovanou); místa hran se stanoví jako místa průchodu signálu touto komparační úrovní. Pro zvýšení rozlišení tohoto algoritmu hledání hran se používá interpolace mezi vzorky signálu (např. lineární interpolace). Tato metoda (volitelně s a bez lineární interpolace) je implementována v řídicím programu na PC. - metody využívající vlastností 1. a 2. derivace/diference - tyto metody určují polohu hrany jako polohu inflexního bodu v grafu jasového profilu. Metody využívají toho, že 1. derivace (resp. její diskrétní obdoba: diference) nabývá v inflexním bodě maxima resp. že graf 2. derivace (diference) signálu prochází v místě inflexního bodu nulou. Program CCDCam umožňuje zobrazit grafy 1. a 2. diference signálu, ale nepoužívá je pro určování poloh hrany. V kameře jsou implementovány metody hledání hran komparací a podle maxima 1. diference. Při lineární interpolaci se poloha hrany určí interpolací z polohy dvou elementů, jejichž signál je právě na opačných stranách komparační úrovně. Zvětšení objektivu se určí měření i výpočtem. Pro výpočet se využije vztah β = f /z, kde f je ohnisková vzdálenost objektivu a z je předmětová vzdálenost (vzdálenost předmětu od předmětového ohniska, které se nachází přibližně 2 cm před povrchem čelní čočky objektivu. Poznámka: Kamera vznikla v rámci laboratorního studentského projektu a její řídicí program vykazuje některé vlastnosti, které pro správné zobrazení při změně parametrů vyžadují poklepání myší na modrý rám okna řídicího programu. Prosím, další případné náměty na zlepšení programu si poznačte a pošlete nám je v el. formě. Měření rozměru a polohy řádkovou kamerou CCD s rozhraním USB, 2014 2
Popis programu řádkové kamery USB Video Interface 1. Část programu pro 1D video 1 řádkový režim kamery Inicializace kamery Stisknutím tlačítka Initialization se nakonfiguruje komunikační spojení mezi kamerou a PC. Přenos videosignálu ze senzoru do PC Výběrovými tlačítky Manual a Continual se volí režim buď manuální nebo kontinuální. Manuální řežim k přenosu videosignálu ze senzoru do PC dojde vždy po stisknutí tlačítka Capture. Kontinuální režim přenos videosignálu je nepřetržitý, po přijmutí videosignálu 1 řádku a jeho následném zpracování a zobrazení je přijímán videosignál dalšího řádku - 1 -
Nastavení integrační doby řádkového senzoru Integrační dobu lze nastavovat v rozsahu od 2ms do 510ms. Výběrovými tlačítky Manual a Automatic se volí režim buď manuální nebo samočinný. Manuální režim integrační doba se nastavuje dvěma posuvníky, milisekundovým a mikrosekundovým. Nově nastavená doba se aktivuje po stisku tlačítka Set Time. Samočinný režim integrační doba se samočinně mění tak, aby měl videosignál maximální rozkmit. Průměrování videosignálu Přenáší se videosignál zvoleného počtu řádků s následným průměrováním jednotlivých hodnot pixelů přes všechny řádky. Digitální filtr Digitální filtr je typu vážený průměr. Označením zaškrtávátka Select Filter je videosignál každého získaného řádku filtrován s využitím nastaveného filtračního jádra. Tlačítko Save slouží k aktivování nastaveného filtračního jádra. Tlačítko Load zobrazí posledně aktivované filtrační jádro. Digitální filtr je realizován výpočtem podle následujícího vzorce: N + k 1 y ( N ) = x( i) * V ( i), j+ k i= N j kde je N - číslo označující pozici vzorku ve vstupním nebo výstupním signálu filtru y(n) - N-tý vzorek výstupního signálu filtru i - rozdíl mezi pozicí vzorku vstupního signálu a pozicí vzorku výstupního signálu x(i) - (N+i)-tý vzorek vstupního signálu filtru j - počet vzorků vstupního signálu předcházející N-tému vzorku, ze kterých se počítá hodnota vzorku výstupního signálu k - počet vzorků vstupního signálu následující za N-tým vzorkem, ze kterých se počítá hodnota vzorku výstupního signálu V(i) - váha (N+i)-tého vzorku vstupního signálu. - 2 -
Ukládání dat Videosignál je možné ukládat na pevný disk PC buď jako sloupec hodnot jednotlivých pixelů v souboru TXT (Save Data) nebo jako soubor BMP (Save Graph), do kterého se ukládá graf videosignálu v té podobě, ve které je zobrazen v zobrazovači. Položka Name umožňuje zvolit název souboru. Položka Index doplňuje ke jménu souboru pořadové číslo, které se automaticky inkrementuje po uložení souboru. Zobrazovač hodnot dvou vybraných pixelů v čase Zobrazovač Pixel Matching umožňuje zvolit libovolné 2 pixely řádku a následně zobrazovat vývoj jejich hodnot v čase. Políčka first a second umožňují vepsat pořadová čísla dvou vybraných pixelů. Výběrová tlačítka Stop a Start řídí zápis nových hodnot vybraných pixelů do zobrazovače. Tlačítko Clear maže zobrazený průběh. Tlačítko Set Step/Step Line slouží k výběru způsobu aproximace mezi dvěma sousedními pixely aproximace schody nebo úsečkou. Zobrazovač videosignálu řádku Zobrazovač zobrazuje videosignál řádku a jeho 1. a 2. diferenci. Zobrazovač umožňuje zoomování (levé tlačítko myši) a posouvání grafu (pravé tlačítko myši). V okně Select Pixel se - 3 -
zobrazují informace o pixelu vybraném levým tlačítkem myši. V okně Video je signál zobrazován tak, že rozsah jasových hodnot pixelů 0 až 255 odpovídá rozsahu barev černá až bílá (256 odstínů šedi). Zobrazení signálů v zobrazovači Zobrazovač zobrazuje videosignál řádku a jeho 1. a 2. diferenci. To je umožněno zaškrtávacím políčkem View u příslušného signálu. Každý ze signálů je možné prahovat, hodnota prahu se nastavuje posuvníkem a je zobrazena v textovém poli. Videosignál řádku je možné hranovat na základě 1. diference. Hrana videosignálu je tam, kde se signál 1.diference změní pod nebo nad hodnotu prahu 1.diference. Obě diference je možno zobrazit v absolutní hodnotě pomocí zaškrtávátka Absolute. Možnosti zobrazovače Signály lze zobrazovat v grafu ve 2D nebo 3D zobrazení pomocí výběrových tlačítek 2D Graph a 3D Graph. Aproximace mezi sousedními body signálu je buď pomocí úseček nebo schodů výběrová tlačítka Line a Step. Videosignál je možné zrcadlit pomocí zaškrtávátka Mirroring. Pomocí zaškrtávátka View Points je možné zvýraznit diskrétní hodnoty jednotlivých pixelů. Kurzory zobrazovače Kurzory je možné zobrazit pomocí zaškrtávátka View. Panely Cursor 1 a Cursor 2 jsou určený pro samostatné ovládání kurzorů. Poloha kurzoru se nastavuje příslušným posuvníkem a je zobrazena v poli Position. V poli Value a je zobrazena hodnota pixelu, na kterém se daný kurzor nachází. Položka Bright představuje hodnotu tohoto pixelu zobrazenou v odstínech šedi. Panel Two Cursors Handling slouží k posuvu obou kursorů najednou. Jedna šipka posouvá kurzory o 1 pixel, 2 šipky o 10 pixelů, 3 šipky o 100 pixelů. Panel Cursors Difference porovnává dva pixely, - 4 -
na kterých se oba kurzory nacházejí. Pole Pixels udává vzdálenost mezi těmito pixely (kurzory) a pole Value rozdíl hodnot jasů obou pixelů. Výpis hran ve videosignálu Hrany ve videosignálu je možné určit buď prahováním samotného videosignálu nebo na základě prahované 1. diference videosignálu. Hrany nalezené prvním způsobem se vypisují na panelu Edges (Tresh), druhým způsobem na panelu Edges (1.Diff). Údaje o pozicích hran získané prahováním samotného videosignálu je možné dále zpřesnit pomocí interpolace. Interpolovaná pozice hrany, která se nachází mezi pixely na pozicích i a i+1 se vypočte následovně: tresh pix( i) edge = + i, pix( i+ 1) pix( i) kde je tresh - hodnota prahu pix(i) - jasová hodnota i-tého pixelu Středy dvou sousedních hran Tato funkce byl přidána ve verzi z 21.11.2010. Po aktivování funkce (vybrání tlačítka Yes v poli Centre Edges) jsou do oken pro výpis hran vypisovány středy mezi jednotlivými hranami. Příklad výpisu: střed mezi hranami s pořadovým číslem 4 a 5 je označen návěstím 4-5:. - 5 -
2. Část programu pro 2D video víceřádkový režim kamery (scanner) Pole Image slouží k zobrazení snímaných řádků ve 256 úrovních šedi 2D obraz. Záznam se ovládá pomocí výběrových tlačítek Stop a Start a maže pomocí tlačítka Clear Image. Parametry videosignálu řádku se nastavují v bloku 1D video. Takto je možné získat například průměrovaný, filtrovaný (pouze v obrazové ose x) nebo hranovaný obraz. Pro posuv snímaného objektu lze využít např. pojezd instalovaný v laboratoři získáme tak obdobu scanneru. Druhá možnost je otáčet kamerou pomocí krokového motoru panoramatický režim. - 6 -