سرعت عکس برداری (Frame Rate) در دوربین های بینایی ماشین

یک سیستم بینایی ماشین از دوربین، لنز ، نرم افزار بینایی ماشین و کامپیوتر تشکیل می شود. یکی از موارد مهم در انتخاب یک دوربین، سرعت تصویر برداری آن است. یکی از معتبرترین برندهای تولید کننده ی دوربین های صنعتی شرکت باسلر است که دوربین های صنعتی با سرعت های عکس برداری مختلفی ارائه می کند.  هر چقدر سرعت تصویر برداری یک دوربین بیشتر باشد آن دوربین گرانتر خواهد بود. بنابراین انتخاب نرخ عکس برداری مناسب می تواند باعث کاهش هزینه ها گردد. در این مقاله به شما آموزش می دهیم که سرعت عکس برداری در یک سیستم بینایی ماشین چیست و چگونه تعیین می شود.

برای ثبت نام در “دوره ی آموزشی بینایی ماشین با نرم افزار Halcon” اینجا کلیک کنید.

سرعت عکس برداری یا frame rate  چیست؟

سازندگان دوربین های صنعتی سرعت عکس برداری دوربین را، با پارامتری به نام “نرخ عکس” برداری یا Frame Rate مشخص می کنند. Frame Rate  برحسب تعداد بر ثانیه محاسبه می گردد و برابر با  حداکثر تعداد عکسی است که یک دوربین می تواند در مدت یک ثانیه بگیرد. علامت اختصاری نرخ عکس برداری “fps” است که مخفف frames per second می باشد.

برای درک بهتر از سرعت عکس بردای به تصویر زیر دقت کنید. در این تصویر از یک گلوله ی متحرک با سرعت های مختلف 15 ، 30، 60 و 100 تصویربرداری شده است.

 سرعت مناسب تصویر برداری برای یک دوربین صنعتی چقدر است؟

یکی از مسائل مهم در انتخاب یک دوربین برای سیستم بینایی ماشین سرعت یا نرخ تصویر برداری است. عموما با افزایش سرعت تصویر برداری دوربین های صنعتی، قیمت آنها افزایش پیدا می کند. دوربین ها با سرعت تصویر برداری بالا از نوع گلوبال شاتر (global shutter) و دوربین ها با سرعت تصویر برداری پایین تر از نوع  شاتر چرخشی  (rolling shutter) هستند.

به طور کلی می توان گفت:

1. چنانچه بخواهیم از یک جسم متحرک (مخصوصا در سرعت های بالا) عکس برداری نماییم از دوربین ها با نرخ عکس برداری بالا ( دوربین های global shutter ) استفاده می کنیم.
2. چنانچه بخواهیم از یک جسم ثابت یا با سرعت کم تصویر بگیریم می توانیم از دوربین های  با سرعت عکس برداری پایین تر (دوربین های rolling shutter) استفاده کنیم.
3.  از یک دوربین سرعت بالا می توان به جای یک دوربین سرعت پایین استفاده کرد اما بالعکس آن امکان پذیر نمی باشد.

در شکل زیر تفاوت نرخ عکس برداری بالا ( تصویر سمت چپ) و نرخ عکس برداری پایین ( تصویر سمت راست.) نشان داده شده است.

از کجا بفهمیم سرعت عکس برداری یک دوربین صنعتی چقدر است؟

نرخ عکس برداری یا سرعت عکس برداری یکی از پارامترهای خیلی مهم در یک دوربین بینایی ماشین است. مقدار این پارامتر توسط سازنده ی دوربین اعلام می شود به عنوان نمونه در یک دوربین باسلر مدل  acA640-300gc را در نظر بگیرید. عدد 300 در  کد این دوربین بیانگر همان نرخ عکس برداری است.

چنانچه به صفحه ی مشخصات این دوربین مراجعه کنیم (مطابق شکل زیر) خواهیم دید که میزان frame rate برابر با 340 می باشد. ( مقدار 300 که در کد دوربین آمده ، همان مقدار گرد شده ی عدد 340است )

تفاوت نرخ عکس برداری دوربین صنعتی در حالت ایده آل و حالت واقعی

همانطور که گفتیم سازندگان دوربین سرعت عکس برداری را با پارامتری به نام Frame Rate مشخص می کنند. باید دقت کنید که این عدد مربوط به شرایط ایده آل عکس برداری است. هنگامی که بخواهیم از یک دوربین در شرایط واقعی عکس برداری نماییم نرخ عکس برداری می تواند خیلی متفاوت باشد. دو دلیل عمده ی  این تفاوت سایز عکس و مقدار اکسپوژر است  که در ادامه به بررسی آن ها خواهیم پرداخت.

1- سایز عکس

در دوربین های صنعتی مورد استفاده در سیستم های بینایی ماشین می توان ناحیه ی تصویر برداری دوربین را به طور دلخواه تنظیم کرد. به عبارت دیگر اگر یک دوربین 5 مگاپیکسل داشته باشیم می توانیم از آن به عنوان یک دوربین 2 مگاپیکسل یا کمتر نیز استفاده کنیم. با کم شدن رزولوشن عکس سرعت تصویر برداری در دوربین های GIGE افزایش پیدا می کند؛ یعنی هر چقدر از ناحیه کمتری تصویر برداری کنیم سرعت عکس برداری بیشتر خواهد شد. هر چند در مورد دوربین های USB این رابطه وجود ندارد.

2- زمان نوردهی یا زمان اکسپوژر (Exposure Time)

زمان نوردهی(Exposure Time) روی سرعت عکس برداری تاثیر زیادی دارد. قبل از بررسی این تاثیر ، مفهوم زمان نوردهی را بررسی خواهیم کرد.

شاتر چیست؟

در مقابل سنسور یک پرده وجود دارد که از ورود نور به سنسور جلوگیری می کند؛ به این پرده شاتر می گوییم. هنگامی که می خواهیم از دوربین تصویر بگیریم این پرده کنار رفته و نور به سنسور برخورد می کند ، این نور نهایتا تبدیل به تصویر می شود.

زمان نوردهی یا Exposure Time

“زمان نوردهی” یا Exposure Time در واقع همان مدت زمان باز و بسته شدن پرده ی شاتر برای تصویر برداری است. Exposure Time را می توان از طریق نرم افزار دوربین های صنعتی تنظیم کرد. هر چقدر زمان اکسپوژر بیشتر باشد تصویر پر نور تر می شود و هر چقدر آن را کم کنیم نور تصویر کمتر می شود.

تاثیر Exposure Time در نرخ عکس برداری

زمان نوردهی (Exposure Time) با سرعت عکس برداری رابطه ی معکوس دارد. به عبارت دیگر بیشتر شدن زمان نوردهی یا Exposure Time  باعث می شود که سرعت تصویر برداری کمتر شود و بالعکس. به شکل زیر دقت نمایید، در تصویر سمت راست زمان نوردهی (ExposureTime) بیشتر و در نتیجه نرخ عکس برداری کمتر است.

نکته  : گاهی نیاز است Exposure Time را کم کنیم تا سرعت عکس برداری زیاد شود (مانند تصویر فوق). در این حالت تصویر کم نور می شود. ما می توانیم با باز کردن دریچه ی دیافراگم و نورپردازی ، کم بودن نور تصویر را جبران کنیم.

محاسبه frame Rate واقعی دوربینهای باسلر در سیستم های بینایی ماشین

همانطور که گفتیم میزان سرعت عکس برداری در حالت واقعی با حالت ایده آل (عددی که در مشخصات دوربین وجود دارد) متفاوت است. در دوربین های صنعتی باسلر می توانیم میزان نرخ عکس برداری در حالت واقعی را محاسبه نماییم. برای این کار کافی است مراحل زیر را انجام دهیم.

مرحله اول : دسترسی به محاسبه کننده نرخ عکس برداری

وارد سایت باسلر شده و از قسمت product وارد fram rate calculator شوید و یا اینجا کلیک کنید.

مرحله دوم : انتخاب مدل دوربین Basler

مدل دوربین را انتخاب کنید. مثلا در اینجا ، دوربین ace gige با کد acA640-300gc را انتخاب می نماییم.

با انتخاب دوربین مطابق تصویر زیر تنظیمات پیش فرض دوربین ظاهر می شود. در این مدل سایز عکس برابر با 480*640 و سرعت شاتر یا Exposure Time برابر با 5000 است.

مرحله سوم : محاسبه ی نرخ عکس برداری بر مبنای پارامترهای تنظیمی

کافی است هر کدام از پارامترها را که می خواهید تغییر دهید و روی “calculate frame rate” کلیک کنید تا مقدار آن محاسبه گردد.

به عنوان نمونه ما در اینجا  Exposure Time را برابر با 2500 انتخاب می کنیم و سایز عکس را برابر با 300*640  تنظیم می کنیم و با کلیک بر روی محاسبه frame rate میزان آن را محاسبه می گردد. همانطور که در عکس مشاهده می شود مقدار نرخ عکس برداری با تنظیمات انجام شده برابر با 383 عکس در ثانیه است.

سخن آخر

در این مقاله در مورد نرخ عکس برداری و محاسبه ی آن مطالبی را گفتیم . که امیدواریم برای شما مفید باشد . مسائل دیگری مانند اینترفیس دوربین ، پورت کامپیوتر و… می تواند در سرعت عکس برداری تاثیر بگذارند. اگر سوالی در این زمینه داشتید با ما تماس بگیرید تا شما را راهنمایی کنیم و در صورت نیاز از مشاوره ما استفاده کنید.

معرفی دوربین های صنعتی Basler

معرفی سنسورهای پردازش تصویر و دوربین های هوشمند

Rolling Shutter یا Global Shutter | کدام دوربین را انتخاب کنیم؟