מצלמות תעשייתיות GigE ו-USB עם חיישן חדש HDR. בעבר, פיתוחים טכנולוגיים בתחום חיישני התמונות התרכזו בעיקר בשיפור הרזולוציה על-ידי הוספת פיקסלים. הדור הנוכחי של מצלמות דיגיטליות כבר מציע רזולוציות מעל 10 מגה-פיקסלים. דבר זה מאפשר להבליט פרטים קטנים מידי מכדי לראותם בעין אנושית, בתנאי שהאופטיקה עומדת במשימה.
אולם, באשר לתחום הדינמי, ראיית האדם עולה בהרבה על התקנים רגילים לקליטת תמונות. אם תמונה מכילה אזורים מאוד בהירים ומאוד חשוכים, מצלמה תגיע מהר מאוד לגבול יכולתה. בעוד שהעין יכולה להבחין בכל רמות הבהירות, חיישני תמונה סובלים מחשיפת-יתר ולכן מאיבוד נתוני התמונה.
המומחית לראיית-מכונה הגרמנית IDS שמחה להכריז על השקת חיישן HDR שפותח לא מכבר עבור סדרת המצלמות התעשייתיות USB ו-GigE. טכנולוגיה זו מאפשרת לכידת תמונות עם ניגודיות גבוהה ביותר ותחום דינמי מעל 120 dB, שהוא 1000 פעם יותר מאשר חיישנים רגילים יכולים להציע. אכן מצלמות HDR חושפות אפשרויות חדשות רבות עבור יישומים בעלי הבדלי בהירות מאוד גבוהים.
מהו תחום דינמי?
הקיצור HDR או במלואו הביטוי High Dynamic Range (תחום דינמי גבוה) מתייחס ללכידה או יצירה של תמונות דיגיטליות בעלות תחום דינמי גבוה. התחום הדינמי (הידוע גם כניגודיות) של תמונה מבטא את יחס ערך הבהירות הגבוהה ביותר לערך הבהירות הנמוכה ביותר. במילים אחרות, לתמונה יש תחום דינמי גבוה אם היא מכילה גם אזורים מאוד בהירים וגם אזורים מאוד חשוכים באותו הזמן (לדוגמה: תמונה של אדם עם הגב אל השמש). תמונה יכולה גם להציג בהירות גבוהה בתחום דינמי מזערי מאחר שאין בה אזורים כהים (לדוגמה: הסתכלות ישירה אל השמש).
תחומים דינמיים מבוטאים לרוב ביחידה הלוגריתמית dB (דציבל). מספר ה-dB מבטא את היחס בו ערך הבהירות הגבוהה ביותר גדול מערך הבהירות הנמוכה ביותר. חיישן תמונה טיפוסי בעל תחום דינמי של 60 dB יכול לדמות דינמיקה של תמונה בת 1000:1, כלומר ערך הבהירות הגבוה ביותר הוא פי 1000 יותר בהיר מאשר ערך הבהירות הנמוכה ביותר. עין אנוש יכולה להבחין בתחום דינמי של עד 100 dB בתוך תמונה, דבר המקביל ליחס בהירות של 100,000:1.
כיצד רואים את העולם חיישני תמונה רגילים
הפיקסלים של חיישן CCD או CMOS רגיל מפיקים מטען חשמלי יחסי לכמות האור הפוגעת בהם. מוליכי המטען מצטברים במהלך זמן החשיפה, והמטען שנוצר בכל פיקסל נמדד בסיום זמן החשיפה. התחום הדינמי של חיישן כזה מוגבל כלפי מעלה על-ידי רוויית הפיקסלים. הגרף באיור 1 מראה שחיישן ליניארי רגיל יכול לדמות רק תחום דינמי מאוד מוגבל של התמונה. האזורים הנותרים לא ניתנים להבחנה בשל הרווייה.
כאשר מגיעים לרווייה בחיישן, הארה נוספת גורמת לחשיפת יתר. בחיישני CCD, קורה גם האפקט המכונה אפקט הפריחה. מדובר בנושאי מטען מפיקסלים בחשיפת-יתר “הזורמים” לתוך פיקסלים סמוכים, דבר הגורם שאזורים שלמים של תמונה ייראו לבנים (נתוני התמונה אובדים במקרה זה).
כדי למנוע חשיפת-יתר, ניתן להקטין את פתח העדשה או לקצר את זמן החשיפה. שתי השיטות גורמות להופעת רעש באזורים הכהים; נתוני התמונה ייאבדו גם במקרה זה.
כיצד רואה את העולם עין האדם
כאשר קולטים או מדמים תמונה, מאפיין ההדמיה הוא חיוני להצגת ההבדלים בבהירות. בעיבוד התמונה (כלומר ביישומים כגון גילוי קצוות וזיהוי תווים), דרושים לרוב מאפיינים ליניאריים. עין האדם, בניגוד לחיישן CCD רגיל, מבחינה בהבדלים בבהירות באופן לוגריתמי. זאת בגלל שמאפיין לוגריתמי מבצע דחיסה של התחום הדינמי. הדיאגרמה באיור הבא מציגה כיצד קפיצות מאוד גדולות בבהירות באזורים הבהירים של התמונה גורמות רק לשינויים קטנים בבהירות התמונה.
כאשר מדובר במצלמות דיגיטליות, דחיסה דינמית זו היא מכריעה במונחים של התחום הדינמי: אם לחיישן מאפיין לוגריתמי – כדוגמת עין האדם – תחום דינמי גבוה של תמונה ניתן להפיכה לדיגיטלי תוך מספר קטן של שלבים בינריים. הפיקסלים הלוגריתמיים מבצעים דחיסה דינמית. לכן בחיישני HDR שואפים למאפיין לוגריתמי.
קיימות גישות רבות באשר לדרך לתכנון חיישן בעל מוצא לוגריתמי, כאשר רובן עדיין משתמשות בפוטו-דיודה כמו בחיישן הרגיל. אולם, טכנולוגיה זו סובלת לעתים קרובות מרעש בתבנית קבועה (כלומר שינויים קטנים בהיסט אות הפיקסל).
ב-2009, יצרנית המצלמות הדרום-גרמנית IDS השיקה סדרה של מצלמות דיגיטליות USB ו-GigE בעלות טכנולוגיית חיישנים HDR חדשה. חיישן ה-HDR המשמש במצלמות uEye של IDS פועל על בסיס עיקרון שונה לחלוטין: בחיישן זה לא משתמשים בפוטו-דיודות רגילות, אלא בתאי שמש מיניאטוריים. אלה בעיקרון גם פוטו-דיודות, אף הן מופעלות אחרת. בעוד פוטו-דיודות מפיקות זרם ליניארי היחסי לכמות האור, תאי השמש מוציאים מתח לוגריתמי בוולטים המבוסס על כמות האור. כלומר אין צורך בתרגום ללוגריתם של האות לאחר מכן. האפיון הוא כבר לוגריתמי באמת! בנוסף, חיישן זה עולה על תכנונים קיימים במונחים של רעש בתבנית קבועה. האיור הבא מראה את ההבדלים הענקיים בתחום הדינמי בין CCD רגיל ובין טכנולוגיה חדשה זו של חיישן HDR.
יישום ותחומי שימוש
החיישן המונו-כרומטי של HDR הכלול במצלמות uEye מאפשר הפקת ניגודים קיצוניים באותה התמונה ומקטין משמעותית את הרעש הנראה בהשוואה לטכנולוגיות HDR קודמות. כתוצאה, מצלמות GigE uEye יכולות לקרוא ולעבד את העומק הצבע המלא של 12 ביט, לדוגמה. חיישן ה-FX4 של HDR הוא בגודל 1/1.8″ ולוכד עד 50 מסגרות בשנייה ברזולוציה של 768×576 פיקסלים.
הטכנולוגיה של HDR פותחת תחום חדש מלא של יישומים. ככלל, מצלמות בעלות חיישני HDR מתאימות לתחומי השימוש הבאים:
1. סביבות בעלות תחום דינמי מאוד גבוה (כלומר אזורים מאוד בהירים ומאוד כהים בתמונה יחידה)
2. סביבות בעלות שינויים חזקים ובלתי-צפויים
סביבות בעלות תחום דינמי גבוה מאוד כוללות לדוגמה את:
• רכב/תחבורה: כאן נוצרים מצבים בהם חיישן נחשף לאור מאוד בהיר, לדוגמה מפנסים של רכב מתקרב, אך חייבים גם לבחון באותו הזמן נתונים מהאזורים החשוכים של התמונה (לדוגמה פנים המכונית).
• משטחים צבועים ומבריקים: החזרות ונקודות מבריקות על משטחי מראה דורשים חיישנים בעלי תחום דינמי מוגבר.
סביבות בעלות שינויים גדולים בבהירות פוגשים לעתים קרובות ביישומים אלה:
• טכנולוגיה וניטור אבטחה: דינמיקת תמונה מאוד גבוהה יכולה להופיע בתמונה עם שמש ועם כיסוי עננים בלתי-רציף ונע. בקרים דוגמת הצמצם האוטומטי במצלמות ניטור מועמסים לעתים מעל יכולתם קרובות במצבים כאלה.
על IDS
עם קו המצלמות uEye®, IDS- Imaging Development Systems GmbH מציעה סדרה של מצלמות USB ו-GigE עבור עיבוד תמונות בסביבות תעשייתיות ולא-תעשייתיות. חיישני CMOS ו-CCD של יצרנים ידועים היטב מספקים רזולוציות מ-VGA עד 10 מגה-פיקסלים וקצבי מסגרת עד 100 מסגרות שלמות בשנייה. השימוש בחבילת התוכנה הנרחבת והחינמית uEye® מאפשר לכל מצלמה להשתלב בספריות עיבוד-תמונות או לשמש ליישומים עצמאיים.
מידע נוסף על טכנולוגיית HDR כולל מסמך קצר חופשי וקטעי וידאו להשוואה ניתן למצוא באתר היצרן www.ids-imaging.com.
מחבר:
Daniel Seiler
Technical Communication
IDS Imaging Development Systems GmbH
Dimbacher Str. 6-8
74182 Obersulm
Germany
Tel. +49 (0) 7134-96196-0
* * *
תרגם: אריה טל-אור
