Sławomir Michalak Politechnika Pozna�ska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Zakład Elektronicznych Systemów Pomiarowych michalak@et.put.poznan.pl

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].

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.

2005Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Poznań 8 - 9 grudnia 2005

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 1/5

3. ZJAWISKA TOWARZYSZ�CE PRZETWARZANIU OBRAZU NIE

OWIETLONEGO 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 (fixed-patern 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).

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 zawieraj�ce funkcje pomiarowe umo�liwiaj�:

- 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.

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 2/5

Rys. 2. Diagram programu w �rodowisku LabView

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

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.

1 2

3

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 3/5

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):

- 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. 4. Wykres dla kamery YK-3027D (zimna)

Rysunek 5 przedstawia wykres uzyskany po kilku minutach pracy kamery (po nagrzaniu si� kamery).

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.

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��.

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. 7. Niejednorodno�� struktury matrycy przetwornika

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).

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 4/5

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.

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

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.

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 5/5