Telecamere industriali con compressione dell’immagine JPEG integrata

Se la compressione dell’immagine viene realizzata direttamente nella telecamera, emergono numerosi vantaggi per la configurazione del sistema e l’utilizzo flessibile e vantaggiosa in termini di costo.

• Larghezza di banda ridotta: L’elevata velocità di compressione associata alla buona qualità dell’immagine consente di sfruttare una risoluzione e una frequenza dei fotogrammi elevate con una contestuale velocità di banda ridotta. In questo modo è sufficiente, ad esempio, per la trasmissione di immagini a colori Full HD a 300 immagini/s GigE con circa 100 MB/s.
   
• Configurazione flessibile del sistema: Rispetto all’USB, è disponibile una frequenza dei fotogrammi sensibilmente superiore con maggiore flessibilità relativamente alla lunghezze dei cavi fino a 100 metri. Ciò consente anche l’impiego di switch GigE, la conversione della sincronizzazione della multicamera tramite PTP o l’utilizzo di un uplink da 10 GigE tramite cavo in fibra di vetro per tratte di trasmissione estremamente elevate fino a 10 chilometri.
   
• Riduzione del carico della CPU: Il PC non sovraccarica la CPU per il calcolo dei colori, la conversione a YCbCr e la compressione dell’immagine. I requisiti sulle dimensioni della memoria principale e sulla larghezza di banda dello strumento di memoria vengono così ridotti in modo significativo. Lo spazio ridotto della memoria consente, inoltre, tempi di registrazione sensibilmente superiori.

Nel 1992 è stato pubblicato lo standard ISO/IEC 10918 da Joint Photographic Experts Group (JPEG) e comprende diverse parti, in particolare la compressione effettiva delle singole foto e il formato di salvataggio JFIF (JPEG File Interchange Format). Si tratta di uno dei formati di immagine maggiormente utilizzati.

La compressione avviene in diverse fasi parziali. Le immagini a colori vengono convertite dallo spazio di colore RGB al modello di colore YCbCr. È costituito dalla luminanza Y (luminosità) e da entrambi i componenti a colori Cb (Crominanza Blu-Giallo) e Cr (Crominanza Rosso-Verde). Il filtro passa-basso e il campionamento passa-banda consentono di ridurre le informazioni sul colore. Viene sfruttato il fatto che l’occhio umano distingue i colori in modo sensibilmente minore rispetto alle differenze di luminosità.

Dopo la conversione, per ciascun componente (Y, Cb e Cr) avviene una suddivisione in blocchi da 8×8 e la relativa trasformata discreta del coseno (DCT). L’effettiva riduzione dei dati viene ottenuta con una conseguente quantizzazione. La compressione dell’immagine viene conclusa da una riclassificazione dei coefficienti in base alla frequenza e una codificazione entropica. È possibile eseguire questi processi in parallelo al fine di ottenere prestazioni elevate.

La compressione JPEG è essenzialmente soggetta alla perdita di dati poiché la qualità dell’immagine viene ridotta. Per le immagini monocromatiche, la velocità di compressione nell’intervallo 5:1 è senza perdite a livello visivo. Con una velocità di 10:1, la qualità è sufficiente per molte applicazioni. Velocità di compressione superiori causano, tuttavia, artefatti eccessivi nell’immagine quale la formazione di blocchi e gradini sui bordi. Utilizzando le immagini a colori RGB, è possibile sfruttare velocità di compressione di 12:1 per assenza di perdite a livello visivo o 35:1 per una buona qualità.

La velocità di compressione JPEG può essere configurata in modo flessibile nell’intervallo 30-100% tramite il parametro “Image Compression Quality” consentendo così una definizione personalizzata della qualità dell’immagine sull’applicazione corrispondente.

Vengono supportate immagini monocromatiche o a colori da 8 bit. Per le telecamere a colori vengono eseguiti un calcolo dei colori di prim’ordine (in parte in un ambiente 5x5) e la conversione a YCbCr422_8. La compressione dell’immagine JPEG avviene in modo sequenziale con prestazioni complete del sensore. L’ulteriore latenza dovuta alla compressione è trascurabile. L’implementazione avviene sulla base dello standard GigE Vision 2.0 tramite il tipo JPEG Payload. Il flusso JPEG generato contiene tutte le intestazioni e può essere salvato direttamente in un file JPEG. Nei metadati vengono trasmessi un timestamp e la posizione ROI all’interno del flusso JPEG. Non è prevista un’immagine di anteprima o la trasmissione parallela dell’immagine originale e JPEG.

La compressione dell’immagine JPEG può essere utilizzata ovunque le sequenze di immagini risultino necessarie per un periodo prolungato. In particolare, se la larghezza di banda della trasmissione o dello strumento di memoria è limitata o il PC non è in grado di eseguire l’ulteriore elaborazione, ad esempio, per diverse telecamere. Poiché la qualità dell’immagine si riduce leggermente rispetto all’originale, se ne sconsiglia l’utilizzo per applicazioni di tecnica di misurazione.

Al fine di garantire la semplicità di integrazione e di utilizzo delle telecamere VLXT.JP sono disponibili diverse opzioni software.

• Cliente OEM: Se le telecamere devono essere integrate in applicazioni proprie, è disponibile Baumer GAPI SDK . Qui, gli esempi dimostrano la configurazione, l’acquisizione dell’immagine e il salvataggio come file .jpg. Le librerie, quali FFmpeg, consentono di generare direttamente anche video dalle singole immagini.
   
• Utente finale: Se le telecamere vengono utilizzate direttamente dall’utente finale, è possibile ricorrere a Baumer Camera Explorer . Nell’applicazione grafica di facile utilizzo è possibile parametrizzare le telecamere ed acquisire e visualizzare le immagini. Inoltre, sono disponibili ulteriori funzioni quali High Speed Recording nella memoria principale o direttamente sul disco rigido, la gestione del buffer circolare con trigger tramite I/O Event e la generazione di video. Il supporto delle telecamere LXT.JP consente, ad esempio, di decodificare il flusso di dati compressi trasmesso anche direttamente per la visualizzazione o di salvarlo come file .jpg. Camera Explorer consente, così, registrazioni di lunga durata per il rilevamento di sequenze a velocità elevata direttamente su un disco fisso USB.
   
• Software di terzi per registrazioni video: NorPix offre software e soluzioni per la registrazione di video digitali. I pacchetti StreamPix o TroublePix consentono di utilizzare una o più telecamere per le sequenze a velocità elevata. Gli ambiti di applicazione tipici sono l’analisi dei guasti di macchinari ed impianti nell’ambiente industriale. Le telecamere VLXT-06M.I.JP di Baumer vengono, ad esempio, impiegate per il monitoraggio degli impianti di produzione. Con max 1500 fps per un formato da 800×600 consentono una risoluzione estremamente elevata a livello di spazio e di tempo. La compressione JPEG consente di utilizzare anche una durata di registrazione estremamente lunga di 189 ore.
   
• Software di terzi per l’analisi dei movimenti: Il software per l’analisi dei movimenti TEMPLO di CONTEMPLAS GmbH consente di analizzare i movimenti e la permanenza in ambienti sanitari e sportivi. La soluzione di sistema composta da hardware e software si rivolge a utenti finali professionali e viene distribuita e utilizzata in tutto il mondo. Di Baumer vengono, ad esempio, utilizzate le telecamere a colori 3 MP VLXT-31C.I.JP con frequenze dei fotogrammi di max 300 fps in Full-HD per le analisi nello sport ad alte prestazioni quali nuoto o palla a mano.
   
• Software di terzi per l’analisi video nell’ambiente sportivo: Kinovea consente ad esempio, con una miriade di strumenti, il tracciamento degli oggetti o la misurazione della velocità o dell’angolo. In qualità di soluzione open-source, viene utilizzata, ad esempio, in ambiente universitario e nello sport amatoriale. Le telecamere VLXT.JP di Baumer sono direttamente integrate e consentono prestazioni estremamente elevate, una sincronizzazione semplice e una robustezza eccezionale.