Telecamere

Le telecamere con sensore CMOS sono diventate molto popolari negli ultimi anni. La qualità dell’immagine è migliorata significativamente e questo tipo di tecnologia è essenziale in alcuni tipi di applicazioni come nei sistemi ad altissima velocità.

I sensori CMOS utilizzano un substrato di materiale sensibile alla luce, ma a differenza dei sensori CCD, trasferiscono le cariche dal sensore all’elettronica interna della camera mediante un metodo di accesso casuale, invece di usare registri a scorrimento comunemente usati nei sensori CCD. Questo permette di ottenere telecamere in grado di acquisire un numero di immagini al secondo molto maggiore rispetto alle telecamere CCD.

I sensori CMOS possono lavorare in due modi in termini di trasferimento delle immagini, queste due modalità di funzionamento è chiamato: Rolling Shutter e Global Shutter.

Nei sensori CMOS ogni singolo pixel comprende l’area fotosensibile e l’elettronica di conversione da segnale analogico a digitale. Il vantaggio principale di sensori CMOS è la loro velocità. Questi dispositivi sono in grado di eseguire centinaia o addirittura migliaia di immagini al secondo.

Tuttavia, hanno alcuni svantaggi, come la presenza di rumore statico di fondo chiamato “Fixed pattern noise” e una minor sensibilità dovuta al fatto che parte del pixel è occupata dall’elettronica di conversione.

I nuovi sensori presentati recentemente sul mercato hanno tuttavia livelli di rumore estremamente bassi e un’elevata sensibilità.

Racchiudono quindi le migliori caratteristiche dei sensori CCD e dei CMOS. Negli ultimi anni la produzione di sensori basati su tecnologia CCD è in progressiva diminuzione.

Molti dei sensori CMOS utilizzati a livello industriale sono basati su tecnologia denominata: Global Shutter, ovvero, tutti i pixel del sensore sono sensibili alla luce durante lo stesso tempo. I valori del segnale di integrazione sono memorizzate e poi scaricati nel periodo di trasferimento.

Tuttavia, esistono sensori CMOS dal costo inferiore che utilizzando la tecnologia Rolling Shutter. In questo caso viene usata un’architettura di controllo dell’esposizione tale per cui una finestra di integrazione si muove lungo le righe del sensore. In pratica ogni riga del sensore viene esposta per lo stesso tempo ma in istanti diversi. Questa modalità di funzionamento introduce una distorsione dell’immagine in caso di acquisizione di soggetti in movimento. Questa distorsione può essere evitata utilizzando illuminatori impulsati

Il termine telecamera matriciale o ad area si riferisce al fatto che il sensore della telecamera copre un’area o che è formata da una matrice di N x M pixel. Molte telecamere matriciali utilizzate in ambito industriale producono l’immagine di un’area con un aspect ratio di 4/3. Questa proporzione proviene dai formati di cinema e televisione. Attualmente molte telecamere si adattano ai nuovi formati di alta definizione con rapporto 16/9. Esistono tuttavia telecamere che non rispettano nessuno di questi formati di immagine.

Le dimensioni di un sensore sono definite in pollici, tuttavia la dimensione effettiva del sensore non ha nulla a che fare con la dimensione della sua definizione ma si basa sul rapporto del primo CCD con tubi Vidicon. I formati più comuni attualmente sono 1/3 “, 1/2” e 2/3”.

Esistono fondamentalmente due tecniche per creare telecamere a colori.

Entrambe si basano sull’utilizzo di filtri in grado di lasciare passare solo un determinato sottoinsieme di lunghezze d’onda dello spettro visibile.

I filtri utilizzati sono di tipo:

• “R” in grado di lasciare passare la gamma del rosso presente nello spettro
• “G” in grado di lasciare passare la gamma del verde presente nello spettro
• “B” in grado di lasciare passare la gamma del blu presente nello spettro

Per questo motivo le telecamere a colori vengono anche chiamate telecamere RGB.

Con la stessa tecnologia del prisma vengono prodotte anche telecamere a quattro sensori in grado di acquisire immagini a colori e near-IR nonché telecamere a doppio sensore in cui un sensore può essere Bayer e uno monocromatico per la radiazione near-IR.

Esistono inoltre telecamere con due sensori monocromatici o due sensori Bayer, in questo caso si sfruttano due sensori basati sulla stessa tecnologia per produrre immagini ad altissima dinamica.

Questa tecnica utilizza i due sensori con differenti valori di guadagno o di tempo di integrazione, attraverso un opportuno software è possibile poi fondere le due immagini provenienti dai due sensori in un’unica immagine.

Il fattore di riempimento è la percentuale dell’area del pixel che è sensibile alla luce. Il caso ideale è del 100%, quando i pixel attivi occupano il 100% dell’area del sensore. I circuiti come i registri di lettura per i sensori CCD e l’elettronica di conversione per i sensori CMOS, riducono questo fattore in alcuni casi fino al 30%. L’effetto di questa riduzione si traduce in una sensibilità inferiore e nella produzione di una distorsione definita: aliasing. Per migliorare questi effetti, molti sensori con basso fattore di riempimento, utilizzano micro lenti che coprono ogni pixel incrementando il fattore di riempimento.

Per modalità di trigger si intendono le diverse possibilità di acquisire un’immagine o una sequenza di immagini a fronte di un segnale elettrico inviato alla telecamera.

Le più comuni sono:

• Acquisizione su fronte di un segnale: in questo caso il tempo di integrazione e definito internamente alla camera.
• Acquisizione sul un livello di un segnale, in questo caso il tempo di integrazione è determinato dalla durata del segnale di trigger.
• Acquisizione di una sequenza predefinita di immagini (burst mode) a fronte di un segnale: con alcune telecamere è possibile variare i parametri di acquisizione tra un’immagine e la successiva, (cycling mode) questi parametri devono essere preventivamente impostati prima di iniziare la sequenza di acquisizione e vengono poi usati in modo ciclico.

La più semplice definizione di telecamera lineare è una telecamera composta da un sensore avente una sola linea, per poter acquisire una scena bidimensionale come con una classica telecamera matriciale la telecamera si deve muovere rispetto all’oggetto o l’oggetto si deve muovere rispetto alla telecamera. Con questa tecnologia si possono acquisire immagini ad altissima risoluzione. Se la risoluzione perpendicolare al movimento è infatti limitata dalla lunghezza del sensore, la risoluzione verticale non è limitata e dipende solamente dal numero di linee che si vogliono acquisire.

A livello software si definisce infatti la dimensione verticale dell’immagine che consiste in un numero di linee definito dall’utente

Le telecamere lineari trovano impiego in tutte le applicazioni ove il materiale da analizzare è un oggetto con rapporto lunghezza/larghezza particolarmente alto oppure un insieme di oggetti che si presentano di fronte alla telecamera con alta frequenza.

La tecnologia delle telecamere lineari è stata sviluppata molto tempo fa per applicazioni di controllo dei materiai continui come carta, tela, piastre metalliche, ecc. attualmente si sta imponendo in molti altri processi produttivi e di controllo, che richiedono un’alta risoluzione e/o un alta velocità ad un prezzo competitivo.

L’utilizzo di telecamere lineari, anche se non è complesso, richiede una certa esperienza nelle applicazioni di visione rispetto a quella necessaria con le telecamere matriciali.

Le telecamere lineari utilizzano sensori lineari che in genere hanno tra i 512 e i 16.000 elementi (pixel), in grado di acquisire linee fino ad una frequenza di oltre 100000 linee/sec. Costruire un’immagine di alta qualità a partire da linee individuali richiede un alto grado di precisione. L’allineamento e i sincronismi del sistema richiedono attenzione se si vuole ottenere un’immagine corretta dell’oggetto da analizzare.

A differenza di un sensore matriciale utilizzando un sensore lineare alcuni tipi di difetti possono divenire estremamente fastidiosi. Si pensi ad esempio ad un singolo pixel che ha una risposta leggermente diversa dagli altri. In un sensore matriciale questo fenomeno non causa particolari problemi poiché si tratta di un evento circoscritto. In una telecamera lineare si traduce in una linea continua con luminosità diversa rispetto al resto dell’immagine dando origine ad un effetto particolarmente visibile e fastidioso nell’image processing.

Esistono due tipi di errori tipici dei sensori che sono FPN (Fixed Pattern Noise) e PRNU (Photo Response Non Uniformity). Nelle telecamere lineari è particolarmente importante che il livello di errore di questo tipo, sia il più basso possibile.

Quando un’illuminazione uniforme incide sul sensore della telecamera, ogni pixel deve avere lo stesso valore di livello di grigio. Piccole variazioni di risposta di un pixel possono provocare valori leggermente diversi. La differenza tra la vera risposta del sensore e la risposta uniforme si definisce con il nome PRNU (Pixel Response Non Uniformity).

Quando sul sensore non incide luce i pixel possono avere una risposta leggermente diversa, questo tipo di difetto si chiama FPN (Fixed Pattern Noise).

La combinazione di questi difetti contribuisce a creare una non uniformità dell’immagine con un pattern a linee lungo la direzione di movimento.

Siccome il PRNU e FPN sono dipendenti dalle caratteristiche fisiche del sensore, è quasi impossibile eliminarli completamente, è però importante che questi valori siano il più basso possibile.

Il miglior modo di compensare la mancanza di uniformità del sensore causato da FPN e PRNU è mediante algoritmi di Flat Field Correction.

Questi algoritmi si basano sull’applicare fattori di offset e di guadagno pixel per pixel in modo da correggere rispettivamente l’FPN e il PRNU.

Possono essere implementati all’interno della telecamera o tramite software a livello PC o scheda di acquisizione in caso l’interfaccia di acquisizione della telecamera lo.

Senza queste correzioni l’immagine di una superficie illuminata uniformemente apparirebbe con leggere differenze, come linee verticali nell’immagine.

Allo stesso modo, questo tipo di correzioni permette di eliminare le non uniformità dell’illuminazione, così come l’effetto scuro nei bordi provocato da alcune lenti (effetto vignettatura).

Come precedentemente detto le telecamere lineari sono composte da sensori monodimensionali, le risoluzioni variano da 512 a 16000 pixel e le immagini vengono composte affiancando più linee acquisite mentre il pezzo da acquisire scorre perpendicolare alla lunghezza del sensore.

Un elemento fondamentale da tenere in considerazione è l’illuminazione.

Mentre una telecamera matriciale arriva a frequenza massime di alcune migliaia di immagini al secondo, una telecamera lineare acquisisce singole linee a frequenze che possono arrivare a centinaia di migliaia di linee al secondo.

Un sensore matriciale può quindi esporre per tempi dell’ordine dei millisecondi mentre un sensore lineare, se usato al massimo della sua velocità, può esporre per tempi dell’ordine dei microsecondi.

L’illuminazione da utilizzare con una telecamera lineare dovrà essere molto più intensa di quella utilizzabile con una telecamera matriciale con il vantaggio che per le telecamere lineari la luce può essere concentrata lungo una sola linea e non su un area.

La tecnologia bilineare è basata sul concetto delle telecamere con filtro di Bayer descritto precedentemente nella sezione delle telecamere matriciali. In questo caso si utilizza un sensore a due linee, sui pixel della prima linea viene applicato un filtro verde. Ai pixel della seconda linea viene applicato un filtro rosso e blu in modo alternato come mostrato in figura.

L’immagine catturata da questi sensori viene interpolata e a partire da questa linea si genera un’immagine a colori nello spazio RGB a piena risoluzione. Anche in questo caso l’interpolazione può avvenire all’interno della telecamera o a livello PC. I sensori bilineari vengono ampiamente utilizzati anche in telecamere monocromatiche, in questo caso non utilizzate come un vero e proprio TDI ma consentono comunque di duplicare la sensibilità di una telecamera a singolo sensore.

In questo tipo di dispositivi il sensore è composto da tre linee distinte, per motivi di accesso ai pixel di oggi linea le tre linee vengono separate da un numero preciso di pixel.

Le telecamere che utilizzano questi sensori sono definite: trilineari. Lo spazio tra i sensori è compensato attraverso operazioni a livello software. Questa tecnologia caratterizzata da una buona sensibilità (simile alle telecamere monocromatiche) si può utilizzare solo in applicazioni con superfici piane e con telecamera posizionata perpendicolarmente rispetto all’oggetto da riprendere.

Il vantaggio di queste telecamere rispetto alle bilineari è rappresentato dall’assenza di interpolazione.