Vision industrielle Capture d image

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1 industrielle Capture d image

2 Plan du cours Vision Couleur Numérique Linéaire Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 2

3 L œil Composition Corps vitré Rétine Cornée Iris Macula Nerf optique Cristallin Conjonctive Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 3

4 L œil Composition Laconjonctive:c'est une solide membrane blanche, opaque aux rayons lumineux, servant à attacher l'œil dans son orbite. Lacornée:il s'agit d'une membrane transparente et résistante située sur la face avant de l'œil. Son rôle est de protéger le globe oculaire sur la face avant. L'iris:il fonctionne comme un diaphragme en dosant la quantité de lumière qui pénètre dans l'œil. Son ouverture centrale est la pupille. Lecristallin:il fonctionne comme une lentille à focale variable, grâce à sa capacité de modifier sa courbure. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 4

5 L œil La rétine C'est sur elle que viennent se projeter les images de la scène que nous observons. Elle contient deux types de cellules photosensibles: les cônes et les bâtonnets. Cônes : ils permettent la vision diurne (vision photopique) Bâtonnets : ils permettent la vision nocturne (vision scotopique) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 5

6 L œil Les cônes sont de trois types : cônes S (short) sensibles aux longueurs d'onde courtes (bleu), cônes M (medium) sensibles aux longueurs d'onde moyennes (vert), cônes L (long) sensibles aux longueurs d'onde longues (rouge). Lamaculaest également appelée tache jaune. Elle contient en son centre une petite dépression, la fovéa. Cette dernière est la zone d'acuité maximum de l'œil qui se distingue par une concentration maximale de cônes pour une très faible concentration en bâtonnets. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 6

7 L œil Absorption (sans unité) Longueur d'onde (nm) Répartition des cônes Fonctions d'absorption relative des cônes Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 7

8 L œil Sensibilité lumineuse de l'œil Sensibilité lumineuse (sans unité) Longueur d'onde (nm) Fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale de l'œil L œil humain est plus sensible aux s verte ou jaune qui nous apparaissent plus claires que les s bleu ou rouge plus sombres. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 8

9 Théorie trichrome Définition Tout stimulus de peut être reproduit par le mélange de trois autres stimuli : le rouge, le vert et le bleu, appelées primaires. Rouge + Vert = Jaune Vert + Bleu = Cyan Bleu + Rouge = Magenta Synthèse additive Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 9

10 Théorie trichrome Expérience d égalisation (ou d appariement) L observateur doit reproduire une par mélange en quantité appropriée de trois primaires rouge, verte et bleue ou soustraire à la à reproduire les quantités nécessaires de ces primaires pour permettre l égalisation. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 10

11 Théorie trichrome 0.4 Fonctions de mélange (sans unité) Longueur d'onde (nm) Fonctions colorimétriques Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 11

12 Mesure de la V= 1,0000R + 4,5907G + 0,0601B R = 63,14 G = 19, B = 14, Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 12

13 Représentation de la Espaces Bleu (0,0,1) Axe achromatique Blanc Magenta Cyan Cyan β Jaune Rouge (1,0,0) Noir O R B V Blanc (1,1,1) Vert (0,1,0) γ Bleu P Vert P' Magenta O' T M Rouge Triangle de Maxwell α Espace RVB Jaune Noir O Espace TLS Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 13

14 Représentation de la Exemple Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 14

15 Représentation de la Exemple La Teintecorrespond à la longueur d onde dominante de la lumière, c est-à-dire la longueur d onde pour laquelle l énergie correspondante est la plus élevée. La Saturation représente la pureté de la. La Luminosité correspond à la quantité d énergie lumineuse. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 15

16 Définition est l élément qui permet de capturer l image d une scène réelle. Elle est composée : d un capteur constitué d éléments semi-conducteur photosensibles (silicium) qui convertissent l énergie lumineuse (photon) en une énergie électrique (électron) et qui sont disposés sous forme matricielle ou, de composants électroniques permettant la mise en forme du signal image. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 16

17 Caractéristiques Temps d intégration Temps pendant lequel le capteur doit être exposé à la lumière. Il peut être réglable grâce à un shutter (obturateur) électronique ou fixe pour répondre aux normes TV. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 17

18 Caractéristiques Sensibilité Variation électrique pour un éclairement donné Intensité lumineuse minimale que la caméra peut détecter Lorsque la sensibilité est faible, la caméra est limitée pour des application à temps d intégration faible. Lorsque la sensibilité est trop forte, il y a risque de saturation du capteur. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 18

19 Caractéristiques Réponse (ou sensibilité) spectrale C est la région du spectre dans laquelle est sensible la caméra. Les capteurs sont sensibles dans le visible mais également dans le proche infrarouge (IR) et l ultraviolet (UV). Lorsque leur maximum de sensibilité est centré sur le rouge, L utilisation de filtres infrarouges est souvent préconisée. Au contraire, la sensibilité de certains capteurs dans l infrarouge ou l ultraviolet permet de concevoir des caméras IR et des caméras UV. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 19

20 Caractéristiques Réponse spectrale de la caméra monochrome SONY XC-55 Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 20

21 Caractéristiques Rapport signal/bruit C est le rapport entre la puissance du signal de sortie et le niveau du bruit présent en absence de signal. Il dépend notamment de l électronique associée au capteur. Fréquence d acquisition C est le nombre d images par seconde que peut acquérir la caméra. Température de fonctionnement Résolution C est le nombre de pixels du capteur. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 21

22 Caractéristiques Dénomination Résolution Rapport Taille image QVGA : VGA : SVGA : XGA : SXGA : UXGA : QXGA : QSXGA : Les résolutions standard de capteurs Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 22

23 Caractéristiques Taille du capteur Pour une même résolution, plus la taille du capteur est grande, plus il est sensible. Historiquement, les tailles ont été crées pour les caméras à tubes et ont gardées les mêmes caractéristiques pour les caméras à semi-conducteurs. Leurs dénominations correspondent donc à la taille de la diagonale des caméras à tubes. Le rapport entre la hauteur et la largeur du capteur est de 4/3. Ce rapport est celui qui correspond le mieux au champs visuel humain pour que l image n apparaisse pas déformée. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 23

24 Caractéristiques Dénomination Taille (mm) Rapport Diagonale 1/4 3,2 2,4 4:3 4 1/3 4,8 3,6 4:3 6 1/2 6,4 4,8 4:3 8 1/1,8 7,176 5,319 4:3 8,933 2/3 8,8 6,6 4: ,8 9,6 4:3 16 4/ ,5 4:3 22,5 Les tailles standards de capteurs (1" (pouce) = 2,54 cm) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 24

25 Caractéristiques Fonction de transfert C est le lien entre le signal lumineux et le signal électrique. Par exemple, une correction gammaest souvent utilisée pour que la fonction de transfert du capteur soit proche de celle de l œil humain mais aussi pour que l image soit affichée sur des écrans à tubes cathodiques. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 25

26 Caractéristiques intensité lumineuse tension La correction gamma consiste à compenser cette non linéarité en appliquant une loi inverse sur la caméra : V = I (1 / gamma) L intensité lumineuse I des écrans n est pas proportionnelle à leur tension d alimentation V mais suit une loi du type : I = V gamma qui rend les images plus sombres Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 26

27 Caractéristiques Gain Facteur multiplicatif permettant d amplifier le signal image avant qu il ne soit numérisé. L augmentation du gain permet de compenser un manque de lumière mais amplifie également le bruit présent dans le signal. Il peut être fixe ou automatique. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 27

28 Caractéristiques Offset Lorsque le niveau de luminosité est trop faible, le capteur de la caméra n est pas sensibilisé. Un minimum de luminosité est nécessaire. L offset est un facteur additif permettant d obtenir une réponse du capteur pour des niveaux de luminosité inférieurs au niveau minimum. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 28

29 Les différents types de caméras CCD ou CMOS Entrelacée ou progressive Monochrome ou (multispectrale, infrarouge ) Analogique ou Matricielle ou Haute résolution Haute cadence Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 29

30 Le capteur CCD Définition CCD : Charge-Coupled Device Dispositif à Transfert de Charges (DTC) Principe de fonctionnement Basé sur une technologie à semi-conducteur Constitué d un ensemble de photosites (cellule photosensible de 5 à 30 µm) alimenté électriquement pour accumuler des charges Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 30

31 Le capteur CCD Photosite Matrice CCD Capteur CCD Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 31

32 Le capteur CCD La partie photosensible (photodiode) est constituée de silicium qui est dopé de manière à acquérir des propriétés photosensibles. Photon (grain de lumière) Photosite Électron (charge électrique) Troisétapessesuccèdent: L intégration: exposition du capteur à la lumière Le transfert Transfert parallèle-série Transfert de trames Transfert interlignes L amplification Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 32

33 Le capteur CCD L intégration L arrivée des photons crée des charges qui s accumulent durant le temps d intégration dans des zones appelées puits (charges négatives). Plus le temps d intégration est grand, plus il y a de photons, plus le nombre de charges augmente. Si le temps d intégration est trop grand, les charges se dispersent vers les photosites voisins créant un phénomène d éblouissement(blooming). Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 33

34 Le capteur CCD Le transfert En modifiant les tensions aux bornes de chaque photosite, la position des puits est modifiée et les charges se déplacent. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 34

35 Le capteur CCD Le transfert parallèle-série Les cellules de la matrice sont couplées verticalement et toutes les lignes verticales sont transférées en parallèle dans un registre à décalage de lecture très rapide Zone sensible Registre à décalage Le transfert parallèle-série Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 35

36 Le capteur CCD Ce type de capteur nécessite un obturateur électronique permettent de réinitialiser tous les photosites dans un état sans charge et maintenir la zone photosensible dans l'obscurité pendant les opérations de transfert. Ces dispositifs conviennent aux applications pour lesquelles le temps d exposition est important. Ils sont peu utilisés dans les applications vidéo. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 36

37 Le capteur CCD Le transfert de trames C est un transfert ligne par ligne vers une zone équivalente mais protégée de la lumière par un film opaque Zone sensible Zone masquée Le transfert de trame Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 37

38 Le capteur CCD Toute la surface du photosite reste éclairée (taux de remplissage maximum), ce qui offre au capteur un maximum de sensibilité. Pendant le temps de transfert, les photosites du haut de l image continuent à être éclairés par la scène et des charges parasites sont ajoutées créant le phénomène de trainage vertical(smearing). Afin d atténuer le nombre de charges parasites, il faut augmenter le temps d intégration. blooming et smearing Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 38

39 Le capteur CCD Technologie également utilisée pour des applications à faible luminosité, à temps d intégration élevé ou pour scène statique. Capteur à transfert de trames Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 39

40 Le capteur CCD Le transfert interligne La zone de transfert se trouve cette fois entre les colonnes. Quelques microsecondes suffisent pour déplacer les charges. Pendant le transfert, une nouvelle étape d intégration peut commencer. Plus de phénomène de smearing Le transfert interligne Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 40

41 Le capteur CCD Le taux de surface photosensible (taux de remplissage) est nettement réduit, ce qui entraîne une réduction de la sensibilité. Le temps d intégration est moindre à cause de la plus faible surface à éclairer. Des lentilles convergentes sur chaque photosite permettent d orienter les rayons lumineux vers la zone photosensible et augmenter la sensibilité. Technologie utilisée pour des applications nécessitant des temps d intégration faible comme des scènes en mouvement rapide. Capteur à transfert interligne Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 41

42 Le capteur CCD L amplification Dans la zone tampon (masquée), les charges sont transférées dans un registre à décalage vers l extérieur du capteur pour être converties en tension puis amplifiées et donner le signal analogique Ampli Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 42

43 Balayage entrelacé et progressif Les caméras entrelacées Afin de rendre la visualisation plus fluide (norme TV), l image est renouvelée par trame, une trame paire et une trame impaire (ce qui permet une seule zone de transfert pour les capteurs à transfert interligne et donc une meilleur sensibilité). Pas de problème pour les scènes statiques Si la scène ou la caméra sont en mouvement, les deux trames peuvent être décalées et un effet de contours dentelés se produit. Si, durant la durée d une trame, l objet a trop bougé par rapport à la précision souhaitée, l image sera floue. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 43

44 Balayage entrelacé et progressif Il faut utiliser une seule trame. Trame1 + Trame 2 = Image Reconstituée Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 44

45 Balayage entrelacé et progressif Les caméras progressives (progressive scan) Les deux trames sont acquises en même temps. Le phénomène de contours dentelés n apparaît plus. On parle d image «full frame». Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 45

46 Balayage entrelacé et progressif Comparaison entrelacée / progressive Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 46

47 Le capteur CMOS Définition CMOS : Complementary Metal Oxide Semi-conductor Principe Mêmes principes physiques que les capteurs CCD. Ils utilisent une technologie CMOS standard moins coûteuse que les CCD. Capteur CMOS Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 47

48 Le capteur CMOS Grâce a des transistors MOS placés sur chaque photosite et fonctionnant comme des interrupteurs, la conversion «électron-tension» est effectuée au niveau de chaque photosite. Grâce à l'intégration supplémentaire d'une logique d'amplification et d'obturation, l'image acquise est convertie immédiatement en information contrairement au CCD qui doivent convertir l'information analogique pour devoir la convertir par la suite en information. L électronique directement intégrée sur le capteur génère un bruit supplémentaire, diminue la surface photosensible et réduit donc la sensibilité. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 48

49 Comparaison Avantages CMOS Possibilité de lire des zones de la matrice (fenêtrage) Compact Faible consommation Coût CCD Qualité d images élevée Bruit très faible Haute sensibilité Inconvénients Bruit Peu sensible à faible luminosité Saturation à haute luminosité Pas de possibilité de fenêtrage Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 49

50 Les caméras mono-ccd Principe Réseau de filtres colorés entrelacés sur les photosite d une matrice CCD Matrice CCD Filtres colorés Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 50

51 Les caméras mono-ccd Différents réseaux de filtres Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell Réseau de filtre de Bayer réel Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 51

52 Les caméras tri-ccd Principe Trois capteurs CCD Système à base de prismes et de filtres dichroïques permettant de répartir la lumière selon des longueurs d ondes courtes, moyennes et grandes Matrices CCD Prismes Capteur tri-ccd Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 52

53 Réponses spectrales Absorption (sans unité) Longueur d'onde (nm) Sensibilité spectrale de la caméra tri-ccd Sony DXC-755P Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 53

54 Comparaison mono-ccd / tri-ccd Avantages Mono-CCD Prix Taille du capteur Tri-CCD Pas de perte de résolution Pas d aberrations chromatiques Inconvénients Perte de résolution et technique d interpolation Aberrations chromatiques Gamut Prix élevé Gamut Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 54

55 Comparaison mono-ccd / tri-ccd Mono-CCD Tri-CCD Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 55

56 Balance des blancs Problématique Un objet blanc (ou noir) dans la scène réelle doit donner un objet blanc (ou noir) dans l image correspondante indépendamment de l éclairage afin d obtenir un rendu correct des s. Nécessité d ajuster les composante rouge, verte et bleue les unes par rapport aux autres afin qu un blanc de référence corresponde aux valeurs maximales des composantes. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 56

57 Balance des blancs Principe La balance des blancsest l opération qui permet ce calibrage en agissant indépendamment sur les gains à appliquer sur chaque composante. Elle peut être réalisée manuellement ou automatiquement. Pour une caméra monochrome, on agit sur le gain et l offset de la caméra. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 57

58 Caméra analogique Principe Elle délivre un signal analogique (monochrome ou ). Elle nécessite donc d utiliser une carte d acquisition afin d obtenir une image. Le signal vidéo répond souvent à différentes normes de télévision analogiques mais peut être également non standard : 1 canal : signal monochrome ou composite généré par modulation 2 canaux : luminance et chrominance sont séparées (norme S-VHS) 3 canaux R, V et B Une caméra analogique Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 58

59 Caméra analogique Norme européenne Norme américaine Standard monochrome CCIR EIA (RS170) Fréquence trame 50 Hz 60 Hz Durée d un trame 20 ms 16,667 ms Nombre de lignes Durée d une ligne 64 µs 63,5 µs Fréquence ligne 15,625 khz 15,750 khz Standard PAL / SECAM NTSC Espace YUV YIQ Les standards vidéos analogiques Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 59

60 Caméra Principe L image est numérisée par la caméra. La carte d acquisition stocke l image en mémoire, transfert les signaux et gère des entrées / sorties. Le traitement est réalisé par la carte ou le PC. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 60

61 Caméra intelligente Principe Le traitement est réalisé par la caméra. Il n y a plus de cartes d acquisition. Une caméra intelligente Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 61

62 Cartes d acquisition Rôle des cartes d acquisition (frame grabber) Le multiplexage des entrées La séparation du signal de synchronisation et du signal d information (pixel) La numérisation (pour les caméras analogiques) L échantillonnage La quantification Parfois le traitement Le stockage Le transfert L affichage Cartes d acquisition Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 62

63 Cartes d acquisition Autres entrées / sorties Entrées Triggers Encodeurs (codeur incrémental) Entrées utilisateurs TTL ou opto-couplés Sorties Stroboscope Sorties utilisateurs TTL ou opto-couplés Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 63

64 L image Définition C est une matrice de points images (Pixels: Picture Element) Chaque pixel est caractérisé dans l image par : Ses coordonnées, Son niveau de gris. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 64

65 L image Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 65

66 L image Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 66

67 Numérisation L échantillonnage C est l opération qui permet de revenir à la représentation capteur en prélevant au signal le nombre d échantillons nécessaires à intervalles réguliers. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 67

68 Numérisation L échantillonnage C est l opération qui permet de revenir à la représentation capteur en prélevant au signal le nombre d échantillons nécessaires à intervalles réguliers. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 68

69 Numérisation Repliement du spectre (aliasing, effet de moiré) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 69

70 Numérisation Théorème de Shannon s d 2 Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 70

71 Numérisation Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 71

72 Numérisation Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 72

73 Numérisation Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 73

74 Numérisation La quantification C est l opération qui consiste à coder sous forme binaire les valeurs prélevées lors de l échantillonnage. Le signal ainsi quantifié est une suite de valeurs s manipulables par le processeur. La quantification consiste à spécifier le nombre de bits nécessaires (en général 8 bits) pour représenter le signal 1 bit => 2 niveaux : 0 (noir), 1 (blanc) (image binaire) 2 bits => 4 niveaux : (0) 10 = (00) 2 (noir), (1) 10 = (01) 2 (gris foncé), (2) 10 = (10) 2 (gris clair), (3) 10 = (11) 2 (blanc) 8 bits => 256 niveaux : 0 (noir),, 255 (blanc) 12, 16, 32 bits N bits => 2 N niveaux : 0 (noir),, 2 N -1 (blanc) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 74

75 Numérisation 256 niveaux 128 niveaux Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 75

76 Numérisation 64 niveaux 32 niveaux Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 76

77 Numérisation 16 niveaux 8 niveaux Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 77

78 Numérisation 4 niveaux 2 niveaux Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 78

79 Numérisation Codage : les pixels d une image sont caractérisés par : leurs coordonnées, leurs niveaux de rouge (R), de vert (V) et de bleu (B). R R R G G G B B B Organisation en R G B R G B R G B Organisation en pixel Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 79

80 Numérisation Tailles de images C est le nombre de bits nécessaires à son codage Image noir et blanc codée sur 8 bits => octets = 64 ko Image noir et blanc codée sur 8 bits => 256 ko Image noir et blanc codée sur 12 bits => 384 ko Image codée sur 8 bits => 768 ko Taille d une image en octet, avec : o N pixel, nombre de pixels o N codage, niveau de quantification o N : 1 si image monochrome 3 si image N Taille = pixel N codage Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 80 8 N

81 Traitement Prétraitements Avant de transférer les données dans la mémoire image, certaines cartes offrent la possibilité de les modifier par l'intermédiaire d'une table de transformation (LUT : Look Up Tables) qui est stockée dans des mémoires additionnelles. La valeur du pixel est alors prise comme un indice d'entrée de la table et la valeur correspondante est alors transférée dans la mémoire image. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 81

82 Traitement Traitements Quelques opérations élémentaires plus complexes peuvent également être programmées sur la carte (correction d éclairage, décalage spatiale, ). Autres Les traitements très complexes sont réalisés par le processeur et la mémoire du PC. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 82

83 Traitement Image numérisée Image stockée Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 83

84 Interfaces s Le transfert Certaines images ont déjà un format car elles proviennent d'un capteur ou ont déjà été prétraitées par le système de capture. Pour ces images, les cartes possèdent une interface parallèle et série qui shunte le convertisseur. Standards s Numérique parallèle : LVDS, RS-422 USB IEEE 1394 (FireWire) CameraLink Gigabit Ethernet et GigE Vision Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 84

85 Interfaces s Format Débit (Gbits/s) Distance (m) Nombre caméra USB 2.0 0, IEEE 1394 (Firewire) Camera Link GigE Vision 0,4 (1394a) 0,8 (1394b) 2,38 (Base) 4,76 (Medium) 7,14 (Full) 4,5 (1394a) 100 (1394b) illimité Les interfaces s Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 85

86 Les caméras matricielles Area-scan camera Les éléments photosensibles sont organisés en matrice Matrice Capteurs matriciels Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 86

87 Les caméras matricielles Modes d acquisition Synchrone (Live Video) Les images sont acquises en séquence au rythme de la fréquence image. Asynchrone (Snapshot) L acquisition des images est déclenchée par un signal externe (trigger) relié à la carte d acquisition ou directement à la caméra. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 87

88 Précision ou résolution spatiale Définition La précisionou résolution spatialed un système de vision représente la distance (en millimètre) observé par 1 pixel dans une direction donnée. La précision Pest définie en fonction de la taille δdu plus petit élément à observer (ou à détecter). Le choix d une caméra matricielle dépend de la précision P souhaitée. Plus l application demande de la précision (pour un δdonné), plus la résolutionr(nombre de pixels du capteur ou définition) doit être grande. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 88

89 Précision ou résolution spatiale Facteur de sécurité : Afin d assurer une bonne perception visuelle, on impose un facteur de sécuritésau moins égale à 2 (théorie de Shannon). S pixels δ Plus petit élément à observer Cas idéal Cas critique Facteur de sécurité P = δ S Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 89

90 Champ de vision Définition Le champ de visionest la surface H x H y observée par le capteur. Il dépend de : Longueur et largeur maximale L x L y des objets à contrôler toute série confondue Marges supplémentaires si nécessaire Nombre, position et orientation des objets Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 90

91 Champ de vision H y L y L x H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 91

92 Champ de vision Translation verticale H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 92

93 Champ de vision Translation horizontale H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 93

94 Champ de vision Rotation H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 94

95 Champ de vision Homothétie H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 95

96 Champ de vision Perspective H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 96

97 Champ de vision Quantité H y H x Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 97

98 Calcul de la résolution Principaux paramètres dimensionnels à prendre en compte Le champ à visualiser, H x H y Longueur et largeur maximale des objets à contrôler toute série confondue L x L y Taille du plus petit élément à visualiser, δ x δ y Facteur de sécurité, S Résolution du capteur R x R y Taille du capteur C x C y Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 98

99 Calcul de la résolution Règle de trois (produit en croix, règle de proportionnalité) H x δ y δ x S Image R y R x H δ P (mm) (mm) (pixel) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 99 (mm) R = R S 1 H S = δ R H = P R S H δ H R = P (pixel) (pixel)

100 Calcul de la résolution La résolution doit être déterminée dans les deux sens (horizontal et vertical). Généralement, la précision souhaitée selon l axe des abscisses est identique à celle souhaitée selon l axe de ordonnées : δ x = δ y = δ. La définition de la résolution conditionne le nombre de caméras, leurs positions et leurs orientations. Application : δ= 1 mm S= 3 H= 10 cm et H= 1 m Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 100

101 Calcul du temps d exposition Produits en défilement continu Nécessité d exposer le capteur pendant un temps minimum Si le capteur est exposé pendant un déplacement, il se crée alors un effet de flou de bougé dans l image acquise Exemple : Le véhicule se déplace de gauche à droite et d arrière en avant. L éclairage est continu. Image statique Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 101

102 Vision Calcul du temps d exposition Images du véhicule en déplacement sous un éclairage continu Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 102

103 Calcul du temps d exposition Pour éviter ce phénomène et afin d obtenir une image nette, plusieurs solutions sont envisageables pour «geler» le mouvement de la pièce : Arrêter le produit un bref instant pendant l acquisition de l image (flux discontinu), ce qui n est pas toujours compatible avec les contraintes de cadence de production. Réduire le temps d intégration de la caméra, ce qui n est pas toujours suffisant lorsque la vitesse de défilement est grande et la précision du système de vision est importante. Utiliser un éclairage stroboscopique pour réduire la durée de l exposition afin d émettre un flash de lumière d une durée très faible avec une intensité très forte. Exemple : éclairage stroboscopique d un véhicule en déplacement Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 103

104 Vision Calcul du temps d exposition Images du véhicule en déplacement sous un éclairage stroboscopique Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 104

105 Calcul du temps d exposition Calcul du temps d exposition maximum Notations Soit V, la vitesse de défilement du produit à inspecter. Soit Δt, le temps d exposition à ne pas dépasser garantissant une image nette. Soit Δp, le seuil de perception du flou de bougé en pixel. Il défini le déplacement maximum du produit à inspecter en fonction de la précision Pdu système de vision, c est à dire la taille δdu plus petit élément observable par un pixel. En général Δpest compris entre 1/2 et 1/5 de pixel. Celasignifie que le produit en défilement ne doit pas se déplacer de plus de Δppixels pendant le temps Δt, soit en millimètres, de P Δp mm pour que l image ne soit pas floue. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 105

106 Calcul du temps d exposition V P Δp (mm) Δt (sec) V ( mm) 1 (sec) Δp P Δt = P Δp V Application : Δp= 1/5, V= 1 m/s, P= 1 mm/pixel. t t + Δt temps (sec) Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 106

107 Calcul de la fréquence image Cadence de production maximale Notations Soit t, le temps séparant l apparition de deux objets à contrôler (temps de cycle). tcorrespond alors au temps disponible à l acquisition et au traitement de l image. Soit F, la fréquence d acquisition des images : F= 1 / t. Soit d, la distance séparant deux objets consécutifs. Pour une cadence de production maximale dest égale au champ de vision de la caméra. Soit V, la vitesse de défilement d V ( mm) t ( mm) 1 (sec) (sec) d V = t F = 1 = t V d Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 107

108 Les caméras s Line-scan camera Correspond à une seule ligne d un capteur matriciel Utilise le principe du scanner, photocopieur ou fax Permet une haute résolution (de 2000 à pixels) Permet des fréquences d acquisition très élevées (fréquence pixel de 1 à 40 Mhz sur plusieurs voies) Capteurs s Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 108

109 Les caméras s Type d application Produit en défilement continu (tôle, verre plat, textile, papier, bois, ), Produit de forme circulaire ou cylindrique, Produit de grande dimension. Développé d un disque Développé d un cylindre Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 109

110 Les caméras s Contrôle de produit en défilement continu Contrôle d objets en continu Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 110

111 Les caméras s Modes d acquisition Synchrone (Web) Les images-lignes sont acquises successivement et stockées dans la mémoire de la carte d acquisition en nombre fini. Asynchrone L acquisition des images-lignes est déclenchée et éventuellement stoppée par un signal externe (trigger). Les images-lignes successivement acquises sont stockées dans la mémoire de la carte d acquisition. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 111

112 Les caméras s Caméra Caméra tri-ccd Caméra mono-ccd et réseau de filtres entrelacés Caméra tri- : Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 112

113 Résolution Définitions Deux résolutions sont à déterminer, la résolution transversalequi correspond au calcul précédent et qui détermine le nombre de pixels nécessaire pour obtenir une précision souhaitée P T et la résolution longitudinalequi est déterminée par la précision P L que l on souhaite obtenir dans le sens du défilement à la vitesse Vdu produit à inspecter avec un facteur de sécurité S. La résolution longitudinale correspond à une fréquence F (nombre d acquisitions par seconde) et répond à la question : tous les combien de secondes faut-il faire une acquisition pour obtenir la précision souhaitée? Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 113

114 Principe d acquisition V F Augmentation de V ou diminution de F Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 114

115 Calcul de la fréquence ligne S Direction axiale δ direction longitudinale V F δ (mm) S (lignes) V (mm) 1 (sec) F (lignes) R = H P T S V F = = δ V P L Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 115

116 Calcul de la fréquence ligne Application : δ= 1 mm S= 3 V= 10 m/mn Remarque: On utilise parfois la fréquence pixelplutôt que la fréquence ligne. Par exemple, une caméra de 2048 pixels et de fréquence pixel égale à 5 MHz possède une fréquence ligne d environ 2400 Hz : = 2441, Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 116

117 Utilisation d un codeur incrémental Problématique La taille du plus petit élément δdans le sens du défilement dépend de la vitesse. Si la vitesse varie au cours du défilement, la précision varie également. Afin de disposer d une précision indépendante de la vitesse, on utilise un codeur incrémentalqui déclenche l acquisition des images-lignes. Ce codeur, couplé à l arbre moteur entrainant le convoyeur, envoi Nimpulsions à la caméra pour un déplacement de Δdmm du convoyeur. Quelque soit la vitesse, le même nombre d images-lignes est acquis par tour de codeur effectué. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 117

118 Calcul de la résolution du codeur δ (mm) S (lignes) Δd (mm) N (lignes) N = S Δ d Δd = δ P L Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 118

119 Déclenchement des acquisitions Signal de déclenchement d acquisition des imageslignes sans codeur génère son propre signal de déclenchement en mode «free running». La carte génère un signal de déclenchement interne de fréquence réglable par l utilisateur et commande la caméra. Le temps d exposition est, soit définie par la durée de l impulsion générée par la carte, soit réglée sur la caméra. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 119

120 Déclenchement des acquisitions Signal de déclenchement d acquisition des imageslignes avec codeur La carte génère un signal de déclenchement identique au signal du codeur incrémental auquel elle est reliée, La carte génère un signal de déclenchement rééchantillonné en fonction du signal provenant du codeur incrémental auquel elle est reliée. Ce ré-échantillonnage permet d opérer à des fréquences d acquisition différentes que celles délivrées par le codeur incrémental. peut également travailler en mode free running à sa fréquence maximale. Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 120

121 Vitesse maximale Calcul de la vitesse maximale possédant une fréquence d acquisition maximale F max, la vitesse de déplacement du produit défilant sous la caméra est limitée à V max afin que toutes les images-lignes soient acquises. F max (lignes) 1 (sec) V max (mm) N (lignes) Δd (mm) V max = F max Δd N Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 121

122 Cas d un objet en rotation Ω (tour) 1 (mn) direction transversale Φ H Ω direction longitudinale π Φ (mm) F V (mm) 60 1 (sec) (sec) Ω π Φ V = 60 S Ω π Φ Ω π Φ = = 60 δ 60 N P L Avec un codeur(δd= π Φ) : V S π Φ π Φ = = δ max F = max P L π Φ N Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 122

123 Principaux fabricants de caméras Atmel Basler Dalsa I2S JAI -Pulnix Lord Ingénierie Tattile Toshiba -Teli Sony Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 123

124 Cartes et caméras intelligentes Bitflow Cognex Data translation Euresys I2S Matrox National Instrument Cours de Vision Industrielle Nicolas Vandenbroucke 124