Parametri delle telecamere

Le telecamere digitali sono sistemi complessi e, nella maggior parte di esse, è possibile agire direttamente su determinate caratteristiche, fra cui le più importanti sono:

- Frequenza di acquisizione (o frame rate)

- Modalità di acquisizione (sincrona/asincrona/triggered) - Definizione di ROI direttamente in fase di acquisizione - Tempo di esposizione (o shutter)

- Formato e compressione delle immagini

Tutti questi parametri devono essere presi in considerazione per la corretta scelta della telecamera da utilizzare nell‟applicazione di interesse. Altra caratteristiche importanti per tale scelta sono la tecnologia del sensore (CCD o CMOS), le sue dimensioni e risoluzione e la modalità del trigger. In un sistema di misura con telecamere bisogna ricordare che la frequenza di acquisizione è data quasi esclusivamente dal tempo di acquisizione (più un ritardo dovuto all‟elettronica interna del dispositivo). Telecamere con risoluzioni basse, oltre che costare meno, portano solitamente dei vantaggi in termini di tempi di acquisizione. Chiaramente con basse risoluzioni diminuisce l‟accuratezza in fase di misura; è dunque

L‟utilizzo di un sistema triggerato permette di acquisire immagini sincrone da diversi dispositivi, on demand o con una precisa frequenza di acquisizione, evitando che esse acquisiscano in istanti non sincroni. In caso non si possa utilizzare un trigger per l‟acquisizione, è possibile lasciare il dispositivo in modalità free run e impostare la frequenza di acquisizione mediante il parametro

frame rate. Così facendo però non è possibile sincronizzare più dispositivi tra

loro. Nel caso in esame il sistema è composto da più telecamere e da illuminatori, ed è quindi molto importante utilizzare un sistema triggerato, poiché le misurazioni vanno eseguite su immagini acquisite in maniera perfettamente sincrona. Le telecamere in esame possono essere comandate sia da un trigger software che da un trigger esterno. Mentre il vantaggio di un segnale generato via software è chiaramente la semplicità, i vantaggi di un segnale esterno generato da hardware sono una maggiore accuratezza e la possibilità di sincronizzare altri dispositivi, come ad esempio illuminatori. Nel nostro caso il segnale di trigger viene generato da una scheda Pokeys 55 (capitolo 4.1.4) e viene inviato a tutti i dispositivi connessi, ovvero telecamere e illuminatori. Anche nel caso in cui il sistema sia triggerato, questo tipo di telecamere possono lavorare in maniera sincrona o asincrona. Nel caso di acquisizione triggerata sincrona (il cui diagramma di acquisizione è rappresentato in figura 4.1) l'arrivo del trigger non fa scattare l'acquisizione che è invece legata al successivo trigger interno alla telecamera. Si osserva inoltre come nuovi impulsi di trigger non abbiano effetto se giungono durante il tempo di esposizione. Il caso asincrono è solitamente quello più usato poiché permette di lasciare al trigger il compito di coordinare l'intero processo di acquisizione. In figura 4.2 è mostrato il diagramma temporale di tale schema: l'esposizione può iniziare dopo un ritardo impostabile dall'arrivo del trigger per permettere eventualmente di sincronizzare l‟acquisizione con illuminatori o altri dispositivi.

Figura 4.1: Diagramma temporale di un’acquisizione triggerata sincrona.

Figura 4.2: Diagramma temporale di un’acquisizione triggerata asincrona.

Il tempo di esposizione (o shutter), vale a dire è il tempo durante il quale l'otturatore della telecamera rimane aperto per permettere alla luce di raggiungere il sensore, è il principale fattore che limita superiormente la frequenza di acquisizione della telecamera. Questo parametro influenza la luminosità dell‟immagine acquisita; aumentando il tempo di esposizione l‟immagine è più luminosa. Tale caratteristica non è contemplata dal modello pinhole (capitolo 2.1.2); in esso infatti il passaggio della luce attraverso un foro puntiforme le garantisce una corretta messa a fuoco. Nella realtà invece per ogni impostazione dell‟obiettivo (lunghezza focale e apertura del diaframma fissati), esiste un‟unica

distanza a cui gli oggetti appaiono perfettamente a fuoco; la nitidezza diminuisce gradualmente spostandosi in avanti (verso il dispositivo) e indietro. La profondità

di campo è l'intervallo di distanze davanti e dietro al soggetto in cui la sfocatura è

impercettibile o comunque tollerabile.

Un buon metodo per aumentare la frequenza di acquisizione della telecamera è la definizione di una ROI (Region of interest) che limita la regione di sensore effettivamente acquisita. In tale modo sia l'acquisizione che le operazioni successive risultano molto più rapide. Chiaramente però si perde volume di misura, riducendo la quantità di dati che possono essere analizzati. Tale possibilità viene fornita solitamente per i soli dispositivi digitali basati sui CMOS, nei quali ogni pixel è dotato dell'elettronica di condizionamento del segnale. Contrariamente, i dispositivi a CCD eseguono la scansione sequenziale di tutte le linee che compongono il sensore. In realtà anche con quest‟ultimo tipo di sensore è possibile ricavare una ROI ma con vantaggi notevolmente inferiori in termini di diminuzione di informazioni acquisite.

La frequenza di acquisizione effettiva imposta al dispositivo tiene in considerazione i tempi di acquisizione, quelli di elaborazione e il trasferimento delle immagini. E' quindi necessario che la scheda di acquisizione sia in grado di sopportare il carico di informazioni inviate dalla telecamere senza rallentamenti o perdita di informazioni. Questo obiettivo non è sempre facilmente raggiungibile, soprattutto nel caso in cui la risoluzione delle immagini o la frequenza di acquisizione sono molto elevate.

Il tempo di ritardo totale per un sistema di acquisizione comandato da trigger potrà quindi essere calcolato come:

(4.1)

segnale fisico esterno a una frequenza fissa e comune a tutti i dispositivi; può accadere che il comando di acquisizione sia dato via software in istanti differenti. In questo modo, anche se il sistema è triggerato, si rischierebbe di acquisire immagini in istanti diversi per ogni dispositivo. Ogni telecamera è dunque gestita da un thread separato e sincronizzato con i thread relativi agli altri dispositivi, in modo tale che il comando di acquisizione sia inviato nello stesso istante a tutti i dispositivi. Se non si utilizzasse la programmazione multithread, infatti, il comando sarebbe inviato in maniera sequenziale ai vari dispositivi, che quindi acquisirebbero in istanti diversi tra loro. Per testare il sincronismo in fase di acquisizione è stato sperimentato il sistema acquisendo immagini di un cronometro. Così facendo si è verificato che le telecamere acquisiscono le rispettive immagini nello stesso istante e alla frequenza stabilita.

Figura 4.3: Alcune immagini acquisite durante il test del cronometro. Si nota come le immagini