Sławomir Michalak, Zastosowanie funkcji pakietu IMAQ w programie do obserwacji szumów i prądu ciemnego przetworników obrazuSesja: Multimedia.Politechnika Poznańska

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Sławomir Michalak Politechnika Pozna ska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Zakład Elektronicznych Systemów Pomiarowych michalak@et.put.poznan.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. ZASTOSOWANIE FUNKCJI PAKIETU IMAQ W PROGRAMIE DO OBSERWACJI SZUMÓW I PR DU CIEMNEGO PRZETWORNIKÓW OBRAZU Streszczenie: IMAQ (Image Acquisition) jest elementem graficznego rodowiska programowania systemów pomiarowych LabView (National Instruments). Pakiet rozszerza podstawowe mo liwo ci rodowiska o specjalizowane funkcje umo liwiaj ce pozyskiwanie i obróbk danych z przetworników obrazu (np. kamer wizyjnych analogowych lub cyfrowych). W referacie przedstawiono przykładowy program do obserwacji efektów szumów i pr du ciemnego przetworników obrazu.. 1. WST P W systemach pomiarowych jako ródło danych pomiarowych coraz cz ciej wykorzystywane s miniaturowe przetworniki obrazu (wizyjne) oparte na matrycach CCD lub CMOS. Przetworniki te charakteryzuj si coraz lepszymi parametrami technicznymi (czuło , rozdzielczo ), niewielkimi wymiarami i dost pno ci . Przykład prostego systemu pomiarowego z przetwornikiem obrazu przedstawiono na rysunku 1.. Rys. 1. Tor pomiarowy z przetwornikiem wizyjnym i kart akwizycji obrazów Kamera z przetwornikiem CCD mo e posiada wyj cie analogowe (najcz ciej CVBS lub S-video) lub cyfrowe (IEEE-1394, USB). Stosuj c kamer z wyj ciem analogowym konieczne jest zastosowanie karty przetwarzaj cej sygnał analogowy na posta cyfrow (karta akwizycji obrazu). W przypadku kamery z wyj ciem cyfrowym wymagane jest zastosowanie odpowiedniej karty interfejsowej. Obróbka pozyskanych danych nast puje w komputerze, cho w zale no ci od zastosowanej karty akwizycji cz oblicze mo e by ju wykonana przez układy znajduj ce si na karcie [5].. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 2. RÓDŁA ZAKŁÓCE I BŁ DÓW W TORZE POMIAROWYM Z CZUJNIKIEM OBRAZU Pozyskiwanie i przetwarzanie danych z czujnika wizyjnego (kamery) zwi zane jest z wyst powaniem nast puj cych (podstawowych) zakłóce oraz bł dów: - zniekształcenia powstaj ce przed kamer (zakłócenia powstaj ce przed obiektywem), - zniekształcenia toru optycznego (wady obiektywu, zniekształcenia perspektywy), - bł dy przetwornika obrazu, - zakłócenia toru analogowego, - bł dy karty akwizycji (przetwarzanie a/c), - niewła ciwa obróbka danych, - niewła ciwa interpretacja obrazu (danych). Cz zakłóce i ródeł bł dów trudno jest u ytkownikowi wyeliminowa całkowicie, przykładowo zale od konfiguracji toru pomiarowego (aktualnie posiadanego wyposa enia). W przypadku kamery z wyj ciem analogowym w torze pomiarowym pojawiaj si : podatny na zakłócenia napi ciowy sygnał analogowy oraz dodatkowe konwersje c/a i a/c. Stosuj c kamer z wyj ciem cyfrowym sygnał analogowy nie wyst puje. Jako toru pomiarowego zale y oczywi cie od parametrów technicznych poszczególnych członów (parametrów kamery, karty akwizycji). Bł dy zwi zane z obróbk danych czy interpretacj wyników zale w du ej mierze od stworzonego programu i zastosowanych metod analizy obrazu. W torze pomiarowym im wcze niej powstaje bł d, tym (zazwyczaj) trudniej go wyeliminowa oraz tym wi kszy jego wpływ na wynik ko cowy, zatem nale y d y do takiej konfiguracji sprz tu i oprogramowania, aby minimalizowa powstaj ce bł dy pomiarowe. W przestawionym torze pomiarowym, istotnym ródłem zakłóce i bł dów jest przetwornik obrazu. Jego jako , parametry techniczne takie jak czuło , rozdzielczo , poziom szumów decyduj o jako ci pozyskanych danych. Jednym z negatywnych zjawisk wpływaj cych na jako pozyskanego obrazu, jest samoistna generacja no ników w strukturze scalonej przetwornika ( ródło szumu i pr du ciemnego), szczególnie istotna przy słabym o wietleniu obiektu.. 1/5.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. 3. ZJAWISKA TOWARZYSZ CE PRZETWARZANIU OBRAZU NIE O WIETLONEGO PRZETWORNIKA Sygnał wyj ciowy uzyskiwany ze scalonego przetwornika obrazu jest sum przebiegów o ró nym charakterze i mechanizmie powstawania. Dla nie o wietlonego przetwornika głównymi ródłami tych przebiegów s procesy wytwarzania ładunków, transferu i odczytu. Podstawowe składowe to: szumy, pr d ciemny, zakłócenia. Szumy i pr d ciemny maj charakter fluktuacyjny, zakłócenia zazwyczaj charakter regularny. Na szumy składaj si przede wszystkim szum termiczny (thermal noise) oraz charakterystyczny dla scalonych przetworników szum o stałym obrazie (fixedpatern noise), a tak e szum transferu (transfer noise) i zakłócenia procesu przetwarzania ładunku. Szum termiczny ma charakter szumu białego, jego wpływ mo e by skompensowany poprzez odj cie u rednionej warto ci linii (pikseli) odniesienia. Szum o stałym obrazie jest efektem nadmiernej, samoczynnej generacji no ników i objawia si w postaci krótkich pików o zmiennym poziomie. Obie składowe szumowe silnie zale od temperatury, podwajaj c swoj warto przy wzro cie temperatury o ok. 10ºC [1, 2]. Generacja dodatkowych no ników nie maj cych charakteru szumowego wywołuje efekt pr du ciemnego. Pr d ciemny wraz ze zjawiskami wywołanymi składow szumow , s głównymi czynnikami ograniczaj cym proces przetwarzania obrazu od dołu (tj. przy słabych warunkach o wietlenia). 4. FUNKCJE PAKIETU IMAQ W referacie przedstawiono wykorzystanie wybranych funkcji rodowiska LabView i pakietu IMAQ, zastosowanych w programie słu cym do rejestracji i obserwacji wpływu szumów i zjawiska pr du ciemnego. Obserwacja oraz graficzne przedstawienie matrycy przetwornika pozwala na wst pn ocen jako ci przetwornika. Szczegółowa analiza umo liwia okre lenie wadliwych obszarów matrycy, oraz nieprawidłowo działaj cych lub uszkodzonych pikseli. W dalszej cz ci przedstawiono wyniki w postaci zarejestrowanych obrazów dla wybranych przetworników (stosowanych w przykładowo wybranych aparatach cyfrowych). IMAQ (Image Acquisition) jest elementem graficznego rodowiska programowania systemów pomiarowych LabView (National Instruments). Rozszerza on podstawowe mo liwo ci rodowiska o specjalizowane funkcje umo liwiaj ce pozyskiwanie i obróbk danych z doł czonych przetworników wizyjnych. Podstawowe funkcje pakietu IMAQ to [3,4]: - Vision Utilities (pozyskiwanie i przekształcanie obrazów), - Image Processing (zaawansowana analiza, obróbka danych), - Machine Vision (funkcje pomiarowe i zaawansowane programy).. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Funkcje Vision Utilities słu ce do pozyskiwania i przekształcania obrazów umo liwiaj : - tworzenie obrazu (miejsca w pami ci dla obrazu), - ustalenie typu obrazu, rozmiaru, - zapis, odczyt, kopiowanie, - odczyt parametrów obrazu, atrybutów wybranych punktów, - okre lenie ROI (Region of Interest), - zmian wymiarów obrazu, obrót, odbicie, - odczyt i zapis punktów, zmiana parametrów punktów, - nakładanie obrazów, - kalibracj wymiarów, perspektywy, zniekształce optycznych, - rozkład na składowe kolorów, zmiana kolorów, przestrzeni barwnej, - obróbk obrazów w czasie rzeczywistym (RealTime). Funkcje Image Processing słu ce do zaawansowanej analiza i obróbki umo liwiaj : - konwersj obrazu czarno-białego do tablicy, zmiana parametrów obrazu, - filtracj (np. wygładzanie, wyostrzanie, wykrywanie kraw dzi), - wykrywanie i analiza obiektów na podstawie wzoru kształtów, - analiz parametrów obrazu czarno-białego (histogram), - analiz obrazu kolorowego, - operacje arytmetyczne i logiczne na obrazie (pikselach), - analiz FFT. Funkcje Machine Vision pomiarowe umo liwiaj :. zawieraj ce. funkcje. - wybór ROI, - wprowadzenie punktów współrz dnych, - wyodr bnianie obiektów i ich pomiary, - pomiary pikseli, statystyki pikseli, - wymiarowanie, pomiar odległo ci, - wykrywanie kraw dzi, - wyszukiwanie wzorów, - wyszukiwanie fragmentów obrazów, - wykrywanie kraw dzi obiektów nieregularnych, - pomiary obiektów geometrycznych, - klasyfikacj obiektów według zało onego wzorca, - rozpoznawanie znaków (OCR - optical character recognition), - odczyt wskaza mierników analogowych i cyfrowych. 5. PROGRAM DO OBSERWACJI WPŁYWU SZUMÓW I PR DU CIEMNEGO Program do obserwacji wpływu szumów i pr du ciemnego wykonano w rodowisku LabView (wersja 7.1) z pakietem IMAQ (wersja 3.0). Zastosowano podstawowe funkcje do rejestracji pojedynczego obrazu. W programie wykonywana jest p tla wielokrotnego pozyskania i sumowania obrazu. Diagram programu przedstawiono na rysunku 2.. 2/5.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. Rys. 2. Diagram programu w rodowisku LabView. 1. 2. 3. Rys. 3. Panel u ytkownika programu W programie zastosowano wielokrotn (definiowan przez u ytkownika) rejestracj obrazu ciemnego (zasłoni ty obiektyw przetwornika) i dodanie kolejnego obrazu do poprzednio zarejestrowanych.. Wielokrotna rejestracja tego samego obrazu odpowiada na wietleniu obrazu z bardzo długim czasem otwarcia migawki (porównuj c do tradycyjnej, analogowej fotografii). Rejestracja obrazu ciemnego (przy zasłoni tym całkowicie obiektywie) pozwala uwypukli obszary (piksele) matrycy przetwornika o ró nym. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. poziomie sygnału (luminancji). Rejestrowany poziom sygnału jest efektem wyst powania szumów i pr du ciemnego, mo e by równie wynikiem uszkodzenia danego obszaru matrycy. Panel u ytkownika przedstawiono na rysunku 3. W oknie 1 dost pny jest podgl d aktualnie rejestrowanego obrazu, w oknie 2 – podgl d kolejno sumowanych obrazów, w oknie 3 prezentowany jest trójwymiarowy wykres luminancji obszaru matrycy. U ytkownik ma mo liwo zadeklarowania liczby rejestrowanych obrazów.. 3/5.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. 6. WYNIKI REJESTRACJI Rejestracj obrazu ciemnego przy pomocy opisanego programu, wykonano dla trzech przykładowych przetworników (CCD), zastosowanych w ró ni cych si jako ci (cen ) kamerach (aparatach):. Rysunek 6 przedstawia wyniki rejestracji po całkowitym nagrzaniu si kamery. Zaobserwowano dalsze zwi kszenie ogólnego poziomu luminancji oraz wzrost liczby pojedynczych obszarów o poziomie znacznie przekraczaj cym redni warto .. - miniaturowa kamera YK-3027D, - aparat cyfrowy Premiere DSC 2000, - aparat cyfrowy Sony DSC 717. We wszystkich trzech przypadkach korzystano z wyj cia analogowego. Do akwizycji sygnału analogowego zastosowano kart National Instruments PCI 1411. Rysunek 4 przedstawia wykres uzyskany dla kamery YK-3027D. Zarejestrowano 20 obrazów w chwil po wł czeniu zasilania kamery tak, aby zaobserwowa prac nie nagrzanej matrycy.. Rys. 6. Wykres dla kamery YK-3027D (gor ca) Sumowanie kolejnych ciemnych obrazów ukazuje niejednorodno struktury matrycy przetwornika. Efekt ten jest przedstawiony jest na rysunku 7.. Rys. 4. Wykres dla kamery YK-3027D (zimna) Rysunek 5 przedstawia wykres uzyskany po kilku minutach pracy kamery (po nagrzaniu si kamery).. Rys. 7. Niejednorodno struktury matrycy przetwornika. Rys. 5. Wykres dla kamery YK-3027D (ciepła) Zarejestrowano ogólne zwi kszenie poziomu luminancji, w przypadku kilku obszarów (pikseli) poziom ten jest bardzo du y.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Wyniki uzyskane dla kamery YK-3027D, porównano z wynikami zarejestrowanymi dla przetworników obrazu przykładowo wybranych aparatów cyfrowych. Spodziewano si , i w tych aparatach zastosowano przetwornik obrazu o „lepszych” parametrach szumowych, ni ten zastosowany w miniaturowej kamerze YK-3027D. Dla 20 obrazów nie zaobserwowano widocznych efektów, dlatego zwi kszono liczb rejestrowanych obrazów do 80. Na rysunku 8 przedstawiono wykres uzyskany dla aparatu Premiere DSC 2000 ( redniej klasy aparat cyfrowy). Widoczny jest do szeroki obszar o zwi kszonej warto ci luminancji, a tak e pojedyncze, (prawdopodobnie uszkodzone) piksele. Wyniki uzyskane dla aparatu Premier DSC 2000 porównano z wynikami uzyskanymi dla aparatu Sony DSC 717 (dobrej klasy aparat cyfrowy).. 4/5.

(5) www.pwt.et.put.poznan.pl. Rys. 8. Wykres dla aparatu Premier DSC 2000 Rysunek 9 przedstawia wykres zarejestrowany dla 80 obrazów. Przetwornik zastosowany w tym aparacie cechował si najmniejsz obserwowan warto ci sygnału (poziomem szumów) zarejestrowan dla obrazu ciemnego. Nie zaobserwowano obszarów czy pojedynczych pikseli o warto ciach odbiegaj cych od redniej.. w postaci trójwymiarowych wykresów luminancji poszczególnych obszarów matrycy przetwornika nie s bezpo rednim odzwierciedleniem poszczególnych pikseli matrycy. Rozdzielczo uzyskiwanych obrazów determinowana jest przez rozdzielczo karty akwizycji (640x480) i jest niezale na od rozdzielczo ci przetwornika obrazu. Nale y równie zaznaczy , e na zarejestrowan warto luminancji poszczególnych obszarów matrycy przetwornika, mog mie wpływ nie tylko warto ci szumów, pr du ciemnego i zakłóce powstaj cych w przetworniku, ale tak e zakłócenia powstaj ce w kolejnych członach toru pomiarowe. Szczególn rol odgrywa karta akwizycji obrazu oraz zakłócenia, które mog si indukowa si w cz ci analogowej. Pomimo tych ogranicze program jest przydatny do zobrazowania szumów i pr du ciemnego matrycy, lokalizacji uszkodzonych obszarów i wst pnej oceny jako ci przetworników obrazu. Kolejnym krokiem b dzie rozbudowa programu w celu ilo ciowej analizy rejestrowanych zjawisk. SPIS LITERATURY [1] M. Rusin, Wizyjne przetworniki optoelektroniczne, WKŁ, Warszawa, 1990. [2] M. Rusin, Systemy teletransmisii, WKŁ, Warszawa, 1990. [3] NI-IMAQ User Manual, National Instruments, Austin, Texas, USA, 2004. [4] IMAQ Vision for LabView, National Instruments, Austin, Texas, USA, 2004. [5] IMAQ PCI/PXI-1411 User Manual, National Instruments, Austin, Texas, USA, 2000.. Rys. 9. Wykres dla aparatu Sony DSC 717 Dalsze zwi kszanie liczby rejestrowanych obrazów równie nie uwidacznia obszarów (pikseli) o ró ni cym si poziomie sygnału, a wi c cała powierzchnia matrycy cechuje si podobnymi (dobrymi) wła ciwo ciami. 7. PODSUMOWANIE Pakiet IMAQ zawiera kilkadziesi t funkcji, które rozszerzaj zastosowanie rodowiska LabView o obszar pozyskiwania danych z przetworników obrazu, przetwarzania i analizy obrazów. Przedstawiony przykładowy program korzysta z podstawowych funkcji, a uzyskane wyniki mog słu y do wst pnej oceny jako ci przetwornika. W zastosowanym torze pomiarowym korzystano z sygnału analogowego z wyj cia przetwornika obrazu i zastosowano kart akwizycji obrazu. Ze wzgl du na proces przetwarzania c/a i c/a zarejestrowane wyniki. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 5/5.

(6)