Cours Vision Chapitre3
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Vision industrielle
Capture d’image
Plan du cours
� Vision humaine
� La caméra
� CCD / CMOS
� Monochrome / Couleur
� Analogique / Numérique
� Matricielle / Linéaire
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 2
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’œil
� Composition
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 3
Iris
Conjonctive
Cornée
Cristallin
Macula
Corps vitré
Rétine
Nerf optique
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’œil
� Composition� La conjonctive : c'est une solide membrane blanche, opaque
aux rayons lumineux, servant à attacher l'œil dans son orbite.
� La cornée : 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.
� Le cristallin : il fonctionne comme une lentille à focale variable, grâce à sa capacité de modifier sa courbure.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 4
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 5
Cônes : ils permettent la vision diurne
(vision photopique)
Bâtonnets : ils permettent la vision nocturne
(vision scotopique)
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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).
� La macula est 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’œil
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 7
Fonctions d'absorption relative des cônesRépartition des cônes
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Longueur d'onde (nm)
Abs
orpt
ion
(san
s un
ité)
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’œil
� Sensibilité lumineuse de l'œil
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 8
Fonction d'efficacité lumineuse
relative spectrale de l'œil
L’œil humain est plus sensible aux
couleurs verte ou jaune qui nous
apparaissent plus claires que les
couleurs bleu ou rouge plus sombres.
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Longueur d'onde (nm)
Sen
sibi
lité
lum
ineu
se (
sans
uni
té)
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Théorie trichrome
� Définition
� Tout stimulus de couleur peut être reproduit par le mélange de trois autres stimuli : le rouge, le vert et le bleu, appelées primaires.
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Synthèse additive
Vert =Bleu Cyan+
Rouge =Vert Jaune+
Bleu =Rouge Magenta+
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Théorie trichrome
� Expérience d’égalisation (ou d’appariement)
� L’observateur doit reproduire une couleur par mélange en quantité appropriée de trois primaires rouge, verte et bleue ou soustraire à la couleur à reproduire les quantités nécessaires de ces primaires pour permettre l’égalisation.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 10
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Théorie trichrome
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 11
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Longueur d'onde (nm)
Fon
ctio
ns d
e m
élan
ge (
sans
uni
té)
Fonctions colorimétriques
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Mesure de la couleur
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 12
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
10
20
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380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
-0.15-0.1
-0.050
0.050.1
0.150.2
0.250.3
0.350.4
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
-0.15-0.1
-0.050
0.050.1
0.150.2
0.250.3
0.350.4
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
-0.15-0.1
-0.050
0.050.1
0.150.2
0.250.3
0.350.4
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
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380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
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380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
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380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
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380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
V = 1,0000R
+ 4,5907G
+ 0,0601B
R = 63,14
G = 19,76
B = 14,07
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Représentation de la couleur
� Espaces couleur
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 13
Espace RVBEspace TLS
Rouge (1,0,0)
Vert (0,1,0)
Bleu (0,0,1)
Blanc (1,1,1)
ONoir
→V
→B
→R
Cyan
Jaune
Magenta
Rouge
Jaune
Magenta
Blanc
Noir
Vert
Bleu
Cyan
O
TP'
P
Triangle de Maxwell
Axe achromatique
α
β
γ
O'
M
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Représentation de la couleur
� Exemple
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 14
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Représentation de la couleur
� Exemple� La Teinte correspond 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 couleur.
� La Luminosité correspond à la quantité d’énergie lumineuse.
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Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Définition
� La caméra 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 linéaire,
� de composants électroniques permettant la mise en forme du signal image.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 16
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
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Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caractéristiques
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 20
Réponse spectrale de la caméra monochrome SONY XC-55
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caractéristiques
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 22
Les résolutions standard de capteurs
QVGA 320 × 240 4:3 76 800
Dénomination Résolution Rapport Taille image
VGA 640 × 480 4:3 307 200
SVGA 800 × 600 4:3 480 000
XGA 1024 × 768 4:3 786 432
SXGA 1280 × 1024 5:4 1 310 720
UXGA 1600 × 1200 4:3 1 920 000
QXGA 2048 × 1536 4:3 3 145 728
QSXGA 2560 × 1920 4:3 4 915 200
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caractéristiques
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 24
Les tailles standards de capteurs
(1" (pouce) = 2,54 cm)
1/4’’ 3,2 × 2,4 4:3 4
Dénomination Taille (mm) Rapport Diagonale
1/3’’ 4,8 × 3,6 4:3 6
1/2’’ 6,4 × 4,8 4:3 8
2/3’’ 8,8 × 6,6 4:3 11
1’’ 12,8 × 9,6 4:3 16
4/3’’ 18 × 13,5 4:3 22,5
1/1,8’’ 7,176 × 5,319 4:3 8,933
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caractéristiques
� Fonction de transfert
� C’est le lien entre le signal lumineux et le signal électrique.
� Par exemple, une correction gamma est 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caractéristiques
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 26
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
tension
inte
nsité
lum
ineu
se
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
La correction gamma
consiste à compenser cette
non linéarité en appliquant
une loi inverse sur la
caméra :
V = I (1 / gamma)
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les différents types de caméras
� CCD ou CMOS
� Entrelacée ou progressive
� Monochrome ou couleur (multispectrale, infrarouge…)
� Analogique ou numérique
� Matricielle ou linéaire
� Haute résolution
� Haute cadence
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 29
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Le capteur CCD
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 31
Photosite
Matrice CCD
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Capteur CCD
Le capteur CCD
� La partie photosensible (photodiode) est constituée de silicium qui est dopé de manière à acquérir des propriétés photosensibles.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 32
Photon(grain de lumière)
PhotositeÉlectron
(charge électrique)
� Trois étapes se succèdent :�L’intégration : exposition du capteur à la lumière
�Le transfert
�Transfert parallèle-série
�Transfert de trames
�Transfert interlignes
�L’amplification
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
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1 2 3
4 5 6
7 8 9
Zone sensible
Registre àdécalage
1 2 3
4 5 6
7 8 9
1 2 3
4 5 6 1 2 3
Le transfert parallèle-série
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 37
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Zone sensible
Zone masquée
1 2 3
4 5 6
7 8 9
1 2 3
4 5 6
7 8 9
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Le transfert de trame
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 38
blooming et smearing
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Le capteur CCD
� Technologie également utilisée pour des applications à faible luminosité, à temps d’intégration élevé ou pour scène statique.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 39
Capteur à transfert de trames
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 40
1 2 3
4 5 6
7 8 9
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Le transfert interligne
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 41
Capteur à transfert interligne
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
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1 2 3
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7 8 9
1 2 3
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7 8 9
1 2 3
4 5 6
7 8 Ampli
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Balayage entrelacé et progressif
� Il faut utiliser une seule trame.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 44
Trame1 + Trame 2 = Image Reconstituée
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Balayage entrelacé et progressif
� Comparaison entrelacée / progressive
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 46
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 47
Capteur CMOS
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 numérique contrairement au CCD qui doivent convertir l'information analogique pour devoir la convertir par la suite en information numérique.
� 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Comparaison CCD / CMOS
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 49
CMOS
• Possibilité de lire des zones de la matrice (fenêtrage)
• Compact• Faible consommation• Coût
CCD
• Qualité d’images élevée• Bruit très faible• Haute sensibilité
Av
an
tag
es
Inco
nv
én
ien
ts • Bruit• Peu sensible à faible
luminosité
• Saturation à haute luminosité• Pas de possibilité de fenêtrage
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras mono-CCD
� Principe
� Réseau de filtres colorés entrelacés sur les photosite d’une matrice CCD
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 50
Matrice CCD
Filtrescolorés
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras mono-CCD
� Différents réseaux de filtres
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 51
Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell
Réseau de filtre
de Bayer réel
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 52
Matrices CCD
Prismes
Capteur tri-CCD
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Réponses spectrales
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 53
Sensibilité spectrale de la caméra tri-CCD Sony DXC-755P
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Longueur d'onde (nm)
Abs
orpt
ion
(san
s un
ité)
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Comparaison mono-CCD / tri-CCD
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 54
Mono-CCD
• Prix• Taille du capteur
Tri-CCD
• Pas de perte de résolution• Pas d’aberrations
chromatiques
Av
an
tag
es
Inco
nv
én
ien
ts • Perte de résolution et technique d’interpolation
• Aberrations chromatiques• Gamut
• Prix élevé• Gamut
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Comparaison mono-CCD / tri-CCD
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 55
Mono-CCD
Tri-CCD
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 couleurs.
� 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 couleur.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 56
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Balance des blancs
� Principe
� La balance des blancs est l’opération qui permet ce calibrage en agissant indépendamment sur les gains à appliquer sur chaque composante couleur.
� 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caméra analogique
� Principe� Elle délivre un signal analogique (monochrome ou couleur).
� Elle nécessite donc d’utiliser une carte d’acquisition afin d’obtenir une image numérique.
� Le signal vidéo répond souvent à différentes normes de télévision analogiques mais peut être également non standard :� 1 canal : signal monochrome ou couleur
composite généré par modulation
� 2 canaux : luminance et chrominancesont séparées (norme S-VHS)
� 3 canaux R, V et B
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 58
Une caméra analogique
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caméra analogique
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 59
Standard monochrome CCIR EIA (RS170)
Norme
européenne
Norme
américaine
Espace couleur YUV YIQ
Fréquence trame 50 Hz 60 Hz
Nombre de lignes 625 525
Durée d’une ligne 64 µs 63,5 µs
Fréquence ligne 15,625 kHz 15,750 kHz
Standard couleur PAL / SECAM NTSC
Durée d’un trame 20 ms 16,667 ms
Les standards vidéos analogiques
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caméra numérique
� 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Caméra intelligente
� Principe
� Le traitement est réalisé par la caméra.
� Il n’y a plus de cartes d’acquisition.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 61
Une caméra intelligente
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 62
Cartes d’acquisition
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’image numérique
� 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’image numérique
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 65
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
L’image numérique
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 66
480 × 640
480400
320240
16080
0
640560
480400
320240
16080
0
0326496
128160192224256
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
� Repliement du spectre (aliasing, effet de moiré)
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 69
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
� Théorème de Shannon
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 70
2d
s ≤
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 71
480 × 640 240 × 320
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 72
120 × 160 60 × 80
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 73
30 × 40 15 × 20
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 numériques 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 => 2N niveaux : 0 (noir), …, 2N-1 (blanc)
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 74
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 75
128 niveaux256 niveaux
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 76
32 niveaux64 niveaux
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 77
8 niveaux16 niveaux
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 78
2 niveaux4 niveaux
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
� Codage couleur : les pixels d’une image couleur sont caractérisés par :� leurs coordonnées,
� leurs niveaux de rouge (R), de vert (V) et de bleu (B).
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 79
R R R G G G B B B
Organisation en couleur
R R RG G G BBB
Organisation en pixel
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Numérisation
� Tailles de images
� C’est le nombre de bits nécessaires à son codage� Image noir et blanc 256 × 256 codée sur 8 bits => 65 536 octets
= 64 ko
� Image noir et blanc 512 × 512 codée sur 8 bits => 256 ko
� Image noir et blanc 512 × 512 codée sur 12 bits => 384 ko
� Image couleur 512 × 512 codée sur 8 bits => 768 ko
� Taille d’une image en octet, avec :
o Npixel, nombre de pixels
o Ncodage, niveau de quantification
o Ncouleur :
1 si image monochrome
3 si image couleur
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 80
8
couleurcodagepixel NNNTaille
××=
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Traitement
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 83
00
01
02
3
4
127
128
254
255
0
0
0
255
255
255Image numérisée Image stockée
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Interfaces numériques
� Le transfert
� Certaines images ont déjà un format numérique car elles proviennent d'un capteur numérique ou ont déjà été pré-traitées par le système de capture. Pour ces images, les cartes possèdent une interface numérique parallèle et série qui shunte le convertisseur.
� Standards numériques� Numérique – parallèle : LVDS, RS-422
� USB
� IEEE 1394 (FireWire)
� CameraLink
� Gigabit Ethernet et GigE Vision
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 84
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Interfaces numériques
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 85
Les interfaces numériques
USB 2.0 0,48 5 127
Format Débit (Gbits/s) Distance (m) Nombre caméra
IEEE 1394
(Firewire)
0,4 (1394a)0,8 (1394b)
4,5 (1394a)100 (1394b)
63
Camera Link
2,38 (Base)4,76 (Medium)
7,14 (Full)10 1
GigE
Vision1 100 illimité
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras matricielles
� Area-scan camera
� Les éléments photosensibles sont organisés en matrice
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 86
Capteurs matricielsMatrice
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Précision ou résolution spatiale
� Définition
� La précision ou résolution spatiale d’un système de vision représente la distance (en millimètre) observé par 1 pixel dans une direction donnée.
� La précision P est définie en fonction de la taille δ du plus petit élément à observer (ou à détecter).
� Le choix d’une caméra matricielle dépend de la précision Psouhaitée. Plus l’application demande de la précision (pour un δ donné), plus la résolution R (nombre de pixels du capteur ou définition) doit être grande.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 88
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Précision ou résolution spatiale
� Facteur de sécurité : � Afin d’assurer une bonne perception visuelle, on impose un facteur de
sécurité S au moins égale à 2 (théorie de Shannon).
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 89
Plus petit élément
à observer Cas idéal Cas critique
S
δP =⇒
Facteur de sécurité
δ
S pixels
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Définition
� Le champ de vision est la surface Hx × Hy observée par le capteur.
� Il dépend de :� Longueur et largeur maximale Lx × Ly des objets à contrôler toute série
confondue
� Marges supplémentaires si nécessaire
� Nombre, position et orientation des objets
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 90
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 91
Ly
Lx
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Translation verticale
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 92
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Translation horizontale
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 93
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Rotation
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 94
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Homothétie
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 95
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Perspective
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 96
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Champ de vision
� Quantité
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 97
Hy
Hx
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul de la résolution
� Principaux paramètres dimensionnels à prendre en compte
� Le champ à visualiser, Hx × Hy
� Longueur et largeur maximale des objets à contrôler toute série confondue Lx × Ly
� Taille du plus petit élément à visualiser, δx × δy
� Facteur de sécurité, S
� Résolution du capteur Rx × Ry
� Taille du capteur Cx × Cy
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 98
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul de la résolution
� Règle de trois (produit en croix, règle de proportionnalité)
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 99
(pixel)(mm) Sδ →
P
HR =⇒
(pixel)(mm) RH →
δ
HSR
×=⇒
(pixel)1(mm) →P
RδSH ×=×⇒
RPH ×=⇒Image
Rx
Hx
Ry
δx
δyS
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 : δx = δy = δ.
� La définition de la résolution conditionne le nombre de caméras, leurs positions et leurs orientations.
� Application numérique :� δ = 1 mm
� S = 3
� H = 10 cm et H = 1 m
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 100
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 :
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 101
Image statique
Le véhicule se déplace de
gauche à droite et d’arrière
en avant.
L’éclairage est continu.
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul du temps d’exposition
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 102
Images du véhicule en déplacement sous un éclairage continu
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul du temps d’exposition
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 104
Images du véhicule en déplacement sous un éclairage stroboscopique
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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 P du système de vision, c’est à dire la taille δ du plus petit élément observable par un pixel. En général Δp est compris entre 1/2 et 1/5 de pixel.
� Cela signifie que le produit en défilement ne doit pas se déplacer de plus de Δp pixels 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul du temps d’exposition
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 106
V(sec)Δ)mm(Δ tpP →×
(sec)1)mm( →V
V
pPt
ΔΔ
×=⇒
Δp
t t + Δttemps (sec)
P
Application numérique :Δp = 1/5,V = 1 m/s,P = 1 mm/pixel.
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
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). t correspond 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 d est égale au champ de
vision de la caméra.
� Soit V, la vitesse de défilement
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 107
(sec))mm( td →
(sec)1)mm( →V t
dV =⇒
d
V
tF == 1
⇒
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras linéaires
� 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 12000 pixels)
� Permet des fréquences d’acquisition très élevées (fréquence pixel de 1 à 40 Mhz sur plusieurs voies)
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 108
Capteurs linéaires
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras linéaires
� Type d’application
� Produit en défilement continu (tôle, verre plat, textile, papier, bois,…),
� Produit de forme circulaire ou cylindrique,
� Produit de grande dimension.
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 109
Développé d’un cylindreDéveloppé d’un disque
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras linéaires
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 110
Contrôle de produit en
défilement continuContrôle d’objets en continu
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras linéaires
� 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Les caméras linéaires
� Caméra linéaire couleur
� Caméra tri-CCD
� Caméra mono-CCD et réseau de filtres couleur entrelacés
� Caméra tri-linéaire :
Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 112
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Résolution
� Définitions
� Deux résolutions sont à déterminer, la résolution transversale qui correspond au calcul précédent et qui détermine le nombre de pixels nécessaire pour obtenir une précision souhaitée PT et la résolution longitudinale qui est déterminée par la précision PL que l’on souhaite obtenir dans le sens du défilement à la vitesse V du 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
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Principe d’acquisition
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Augmentation de V ou diminution de F
V
F
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couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul de la fréquence ligne
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(lignes)(mm) Sδ →
(sec)1(mm) →V
LP
V
δ
VSF =×=⇒
(lignes)F→
S
V
F
direction longitudinale
δ
Dir
ect
ion
axi
ale
TP
HR =⇒
Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul de la fréquence ligne
� Application numérique :
� δ = 1 mm
� S = 3
� V = 10 m/mn
� Remarque :
� On utilise parfois la fréquence pixel plutôt que la fréquence
ligne. Par exemple, une caméra linéaire de 2048 pixels et de fréquence pixel égale à 5 MHz possède une fréquence ligne d’environ 2400 Hz :
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40625,24412048
1
50000001
=×
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couleurCCD / CMOSLa caméra
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humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Utilisation d’un codeur incrémental
� Problématique
� La taille du plus petit élément δ dans 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 incrémental qui déclenche l’acquisition des images-lignes. Ce codeur, couplé à l’arbre moteur entrainant le convoyeur, envoi N impulsions à la caméra pour un déplacement de Δd mm du convoyeur.
� Quelque soit la vitesse, le même nombre d’images-lignes est acquis par tour de codeur effectué.
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couleurCCD / CMOSLa caméra
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Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Calcul de la résolution du codeur
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(lignes)(mm) Sδ →
(lignes)(mm)Δ Nd →
LP
d
δ
dSN
ΔΔ =×=⇒
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Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Déclenchement des acquisitions
� Signal de déclenchement d’acquisition des images-lignes sans codeur
� La caméra 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.
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numérique
Matricielle /
linéaire
Déclenchement des acquisitions
� Signal de déclenchement d’acquisition des images-lignes 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 ré-échantillonné 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. La caméra peut également travailler en mode free running à sa fréquence maximale.
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couleurCCD / CMOSLa caméra
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numérique
Matricielle /
linéaire
Vitesse maximale
� Calcul de la vitesse maximale
� La caméra possédant une fréquence d’acquisition maximale Fmax, la vitesse de déplacement du produit défilant sous la caméra est limitée à Vmax afin que toutes les images-lignes soient acquises.
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)mm((sec)1(lignes) maxmax VF →→
(mm)Δ(lignes) dN →
N
dFV
Δmaxmax
×=⇒
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numérique
Matricielle /
linéaire
Cas d’un objet en rotation
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Ω
Φ
(sec)60(mm)Φ →×π
60
ΦΩ ××= πV⇒
(sec)1(mm) →V
LP
π
δ
πSF
×××=
××××=
60
ΦΩ
60
ΦΩ⇒
LP
π
δ
πSN
ΦΦ ×=××=⇒
Avec un codeur (Δd = π×Φ) :
N
πFV
Φmaxmax
××=⇒
)mn(1(tour)Ω →
dir
ect
ion
tra
nsv
ers
ale
direction longitudinale
H
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couleurCCD / CMOSLa caméra
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numérique
Matricielle /
linéaire
Principaux fabricants de caméras
� Atmel
� Basler
� Dalsa
� I2S
� JAI - Pulnix
� Lord Ingénierie
� Tattile
� Toshiba - Teli
� Sony
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Monochrome /
couleurCCD / CMOSLa caméra
Vision
humaine
Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire
Cartes et caméras intelligentes
� Bitflow
� Cognex
� Data translation
� Euresys
� I2S
� Matrox
� National Instrument
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couleurCCD / CMOSLa caméra
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Analogique /
numérique
Matricielle /
linéaire