The Image Acquisition.
L'acquisizione delle immagini.
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Summary. The acquisition of images in a vision system involves several technologies and systems. They range from lighting technology to optics, from shooting sensors to electronics for the digital conversion of the acquired information. Depending on the information you are interested in, there are technical specifications.
L'acquisizione delle immagini in un sistema di visione coinvolge diverse tecnologie e sistemi. Si va dalla illuminotecnica all'ottica, dai sensori di ripresa alla elettronica per la conversione in digitale delle informazioni acquisite. A seconda delle informazioni a cui si è interessati esistono specifiche tecniche.
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§1. Imaging.
Tecniche di acquisizione delle immagini.
Over the last few decades, the market has required ever greater volumes of products, and an ever higher level of quality and reliability is required for these products. For this reason, in the industrial manufacturing sector it was necessary to combine the control work carried out by man with automatic systems that are able to guarantee levels of repeatability and reliability greater than what control by a human operator can offer.
Nel corso degli ultimi decenni il mercato ha richiesto volumi sempre maggiori di prodotti, e per tali prodotti è richiesto un livello di qualità ed affidabilità sempre più elevato. Per questo motivo nel settore della manifattura industriale è stato necessario affiancare all'opera di controllo esercitata dall'uomo dei sistemi automatici che siano in grado di garantire livelli di ripetibilità e affidabilità maggiori di quanto può offrire il controllo mediante operatore umano.
The new electronic and automatic information processing technologies, optical technologies, digital image capture technologies, and image processing software have made it possible to design and implement Imaging Systems, i.e. systems for automatic image diagnostics.
Le nuove tecnologie elettroniche e di elaborazione automatica delle informazioni, le tecnologie ottiche, quelle di cattura delle immagini digitali, ed i software di elaborazione delle immagini hanno reso possibile la progettazione e realizzazione di Sistemi di Imaging, ossia di sistemi per la diagnostica automatica delle immagini.
Last update: July 24, 2022
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§2. Imaging Unit.
Unità di acquisizione delle immagini.
Regardless of your application - machine vision, life science, security, or traffic management - understanding and mastering the core concepts of imaging technologies will help you significantly in the design and manufacture of sophisticated imaging systems.
Indipendentemente da quale sia la vostra applicazione, di visione artificiale industriale, di life science, di sicurezza o di gestione del traffico, comprendere e padroneggiare i concetti principali delle tecnologie di imaging vi aiuterà in modo significativo nella progettazione e produzione di sofisticati sistemi di imaging.
The fundamental components of the imaging systems are the Illumination, the Imaging lens, and the Camera.
I componenti fondamentali dei sistemi di imaging sono l'illuminazione (Illumination), il gruppo ottico di acquisizione delle immagini (Imaging lens), e la fotocamera (Camera).
L'illuminazione è utilizzata per illuminare correttamente l'oggetto. Proiettando sull'oggetto una radiazione luminosa specifica e controllata si cerca evidenziare le sue caratteristiche, che sono di interesse per il controllo che deve essere eseguito. In pratica, l'illuminazione è fondamentale per il sistema di imaging perché aiuta a "vedere" correttamente e meglio l'oggetto di interesse.
The Imaging lens, on the other hand, acquires information on the object and transfers them to the electronic system that will take care of their automatic processing. Specifically, the information of the object of interest is reproduced on a sensor inside the camera. The optical unit provides the appropriate visual coupling between the sensor inside the camera and the object of interest, so that the object is framed entirely (field of view), and in the appropriate conditions of contrast and focus.
Il gruppo ottico di Imaging invece acquisisce le informazioni sull'oggetto e li trasferisce all'interno del sistema elettronico che si occuperà della loro elaborazione automatica. Nello specifico, le informazioni dell'oggetto di interesse sono riprodotte su un sensore interno alla telecamera. Il gruppo ottico fornisce l'opportuno accoppiamento visivo tra il sensore interno alla telecamera e l’oggetto di interesse, in modo che l'oggetto sia inquadrato interamente (field of view), e nelle opportune condizioni di contrasto e fuoco.
It should be noted that all the components of a vision system, ie lighting system, optics and sensors, are subject to physical limitations which in turn determine the limitations of the performance of the entire system. The success of an imaging system fundamentally depends on the correct choice of these three fundamental components. Very often the choice of components requires compromise evaluations between the performance (accuracy, speed, repeatability, etc.) of the system, the cost, the difficulty and development times of the entire solution.
Si osservi che tutti i componenti di un sistema di visione, ossia sistema di illuminazione, ottiche e sensori, sono soggetti a delle limitazioni fisiche che determinano a loro volta le limitazioni delle prestazioni dell’intero sistema. Il successo di un sistema di imaging dipende fondamentalmente dalla corretta scelta di questi tre componenti fondamentali. Molto spesso la scelta dei componenti richiede delle valutazioni di compromesso tra le performance (accuratezza, velocità, ripetibilità, ecc.) del sistema, il costo, la difficoltà ed i tempi di sviluppo dell'intera soluzione.
For this reason, the design of an imaging system is very delicate because it simultaneously involves maximizing performance and minimizing costs. And this goal can only be achieved by knowing well the physical properties of each individual component.
Per questo motivo la progettazione di un sistema di imaging è molto delicata perché comporta contestualmente la massimizzazione delle performance e la minimizzazione dei costi. E questo obiettivo lo si può ottenere soltanto conoscendo bene le proprietà fisiche di ogni singolo componente.
Last update: July 24, 2022
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§3. Illumination system.
Il sistema di illuminazione.
The illumination system is used to project on the object of observation a controlled light radiation with appropriate characteristics and such as to highlight those characteristics of the object in which one is interested or to limit the effect of disturbing agents.
Lighting technology. For the correct sizing of a lighting system, it is necessary to have skills in lighting engineering and radiometry. In particular, when we refer to the range of frequencies perceivable by the human eye, we speak of "photometry" instead of "radiometry". The most important parameter of a light source is not its power or its size, but its luminance. In fact, with the same luminance, two sources of different power have different surfaces, and in particular the one with lower power must necessarily have larger dimensions.
Types of light sources. The most common types of illuminators are: halogen lamps, LEDs, lasers. The various types of illuminators have different strengths and weaknesses. The choice to use one rather than another depends on the specific application.
Structured light. The lighting system for some artificial vision techniques has the task of highlighting the shapes of the objects of interest and allowing the survey of the corresponding measures. For this particular type of application a light is specially collimated in points, lines or grids. This particular type of lighting is called "structured"
Il sistema di illuminazione serve per proiettare sull’oggetto di osservazione una radiazione luminosa controllata con caratteristiche opportune e tali da evidenziare quelle caratteristiche dell’oggetto a cui si è interessati o per limitare l’effetto degli agenti di disturbo.
Illuminotecnica. Per il corretto dimensionamento di un sistema di illuminazione occorre possedere competenze di illuminotecnica e di radiometria. In particolare di quando ci si riferisce all'intervallo delle frequenze percepibili dall'occhio umano, si parla di "fotometria" al posto di "radiometria". Il parametro più importante di una sorgente luminosa non è la sua potenza oppure la sua dimensione, bensì la sua luminanza. Infatti, a parità di luminanza due sorgenti di diversa potenza hanno superfici diverse, ed in particolare quella con potenza inferiore deve necessariamente avere dimensioni maggiori.
Tipi di sorgenti luminose. I tipi più comuni di illuminatori sono: lampade alogene, LED, laser. I vari tipi di illuminatori presentano pregi e difetti differenti. La scelta di usare uno piuttosto che un altro tipo dipende dalla specifica applicazione.
Luce strutturata. Il sistema di illuminazione per alcune tecniche di visione artificiale ha il compito di evidenziare le forme degli oggetti di interesse e di permettere il rilievo delle corrispondenti misure. Per questo particolare tipo di applicazione si un una luce collimata appositamente in punti, linee o reticoli. Questo particolare tipo di illuminazione è detta “strutturata".
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§4. Imaging Lens.
Il sistema ottico di acquisizione.
The optical system of a vision system provides the appropriate visual coupling between the object of interest and the shooting sensor, so that the object is completely framed (field of view), and appears in the correct conditions of contrast and focus .
The main function of the optical system of a vision system is to receive the light coming from the external environment and concentrate it on the camera sensor (CCD / CMOS) which will convert it into a video signal. In order to do this, the lens has a convex lens inside, which deflects all the rays of light that pass through it and converges them towards a point just beyond the lens itself. At this point, the camera's CCD will be located behind the lens, ready to receive the image and generate a video signal from it. Without the lens, the camera would be like the human eye without a lens, absolutely unable to see any image.
Optical systems are characterized by some parameters that describe their characteristics. The main ones are the Focal and the F-number.
Focal. Imagine a theoretical situation in which the lens is hit by perfectly parallel rays of light. Passing through the lens, the light rays are deflected and converge at a point whose position strictly depends on the curvature of the lens. This point is called the focal distance of the lens, also called focal length only, and is a value that is used to catalog the objectives and to be able to compare them with each other.
The F-number or F-Stop or Lux. The "F-number" or "F-Stop" of a lens is defined as the ratio between the focal length and the diameter of the hole that allows light to pass through the lens and reach the optical sensor, called diaphragm or iris. This parameter by providing an indication of the amount of light that the lens conveys towards the camera sensor, provides a measure of the brightness of the same.
The optical system is also used to filter the visual signal, that is, to clean it of all disturbing information, such as noise, or from those in which you are not interested, such as particular image components.
For the sizing of the optical system of the acquisition sub-system of the artificial vision system it is necessary to know and apply some simple rules.
Although the knowledge of the physical principles of optics are still useful for understanding the function that the various optical components have, it must be said that for their sizing, ie for the choice of the commercial product, it is not necessary. In fact, for this function it is sufficient to know approximately the order of magnitude and therefore the use of general rules is sufficient.
Il sistema ottico di un sistema di visione fornisce l'opportuno accoppiamento visivo tra l'oggetto di interesse ed il sensore di ripresa, in modo che l'oggetto da acquisire (target) sia inquadrato per intero dal sensore (field of view), ed appaia senza distorsioni e nelle corrette condizioni di contrasto e fuoco.
La funzione principale del sistema ottico di un sistema di visione è quello di ricevere la luce proveniente dall'ambiente esterno e concentrarla sul sensore della telecamera (CCD/CMOS) che la convertirà in un segnale video. Per poter fare questo, l'obiettivo ha all'interno una lente convessa, che devia tutti i raggi di luce che la attraversano e li fa convergere verso un punto poco oltre la lente stessa. In questo punto, dietro la lente si troverà il CCD della telecamera, pronto a ricevere l'immagine e generare da essa un segnale video. Senza l'obiettivo, la telecamera sarebbe come l'occhio umano senza cristallino, assolutamente incapace di vedere alcuna immagine.
I sistemi ottici sono caratterizzati da alcuni parametri che ne descrivono le caratteristiche. I principali sono la Focale e l’F-number.
Focale. Immaginiamo una situazione teorica in cui la lente sia colpita da raggi di luce perfettamente paralleli. Attraversando la lente i raggi di luce vengono deviati e convergono in un punto la cui posizione dipende strettamente dalla curvatura della lente. Questo punto viene definito distanza focale della lente, anche detta solamente focale, ed è un valore che viene usato per catalogare gli obiettivi e poterli confrontare fra loro.
L’F-number o F-Stop o Lux. Si definisce "F-number" o "F-Stop" di un obiettivo, il rapporto fra la focale ed il diametro del il foro che consente alla luce di attraversare la lente e raggiungere il sensore ottico, detto diaframma o iris. Questo parametro fornendo una indicazione della quantità di luce che l'obiettivo veicola verso il sensore della telecamera, fornisce una misura della luminosità dello stesso.
Il sistema ottico è utilizzato anche per filtrare il segnale visivo, cioè per ripulirlo da tutte le informazioni di disturbo, come il rumore, oppure da quelle a cui non si è interessati, come per esempio particolari componenti dell’immagine.
Per il dimensionamento del sistema ottico del sotto-sistema di acquisizione del sistema di visione artificiale occorre conoscere ed applicare applicare alcune semplici regole.
Sebbene la conoscenza dei principi fisici di ottica siano comunque utili per la comprensione della funzione che hanno i vari componenti ottici, c’è da dire che per il loro dimensionamento, ossia per la scelta del prodotto commerciale, non è necessario. Infatti, per questa funzione è sufficiente conoscere approssimativamente l’ordine di grandezza, e quindi è sufficiente l'uso di regole generali.
(1) F/# and depth of field, Opto Engineering
(2) f-number, Wikipedia
(3) La focale dell’obiettivo, DSE Italia Tutorials
(4) L’angolo di vista di un obiettivo, DSE Italia Tutorials
(5) Human lens, Wikipedia~ o ~
§4.1. Imaging Lens - Lens and Mirrors.
Sistema ottico di acquisizione - Lenti e Specchi.
In optics, the typical requirements that arise for the construction of an image acquisition system are to make the light radiation that contains the image travel a predefined optical path, or to transmit the light radiation by operating on it the processing that transform it to our liking, such as filtering or corrections.
In ottica, le esigenze tipiche che si hanno per la costruzione di un sistema di acquisizione di immagini sono quelle di far percorrere un predefinito percorso ottico alla radiazione luminosa che contiene l'immagine, oppure di trasmettere la radiazione luminosa operando su di essa delle elaborazioni che la trasformino a nostro piacere, come per esempio filtraggi o correzioni.
Mirrors are used to divert the path of light radiation, while lenses are used for their transformation. Mirrors and lenses constitutes the main elements of an optical system. In general, in optics, we can say that the fundamental differences between lenses and mirrors are due to the fact of transmitting or reflecting light radiation. The use of mirrors or lenses, and the choice of their type, depends on the type of light radiation and the function to which the optical system is dedicated. Therefore it is important to consider some important distinguishing characteristics of these two important components of the optical system.
Mirrors are used to divert the path of light radiation, while lenses are used for their transformation. Mirrors and lenses form the main elements of an optical system. In general, in optics, we can say that the fundamental differences between lenses and mirrors are due to the fact of transmitting or reflecting light radiation. The use of mirrors or lenses, and the choice of their type, depends on the type of light radiation and the function to which the optical system is dedicated. Therefore it is important to consider some important distinguishing characteristics of these two important components of the optical system.
Chromatism. A key difference between lenses and mirrors is chromatism. In fact, the lenses are affected by chromatism, ie their behavior is a function of the wavelength of the radiation that passes through them. The mirrors, on the other hand, are achromatic, or reflect all wavelengths in the same way within the limits of the spectral reflectivity of the surface treatment that has been applied to them.
Cromatismo. Una differenza fondamentale tra lenti e specchi è rappresentata dal cromatismo. Infatti, le lenti sono affette da cromatismo, ossia il loro comportamento è funzione della lunghezza d’ onda della radiazione che le attraversa. Gli specchi, invece, sono acromatici, o riflettono allo stesso modo tutte le lunghezze d’ onda entro i limiti della riflettività spettrale del trattamento superficiale che è stato operato su essi.
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§4.2. Imaging Lens - Eyepieces and Field Lens.
Sistema ottico di acquisizione - Oculari e Lenti di campo.
1. Eyepiece, Wikipedia
1. Sistema di visione artificiale, Wikipedia. Link: https://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_di_visione_artificiale
Last updated August 25, 2022
- 1. 2D imaging - visible: acquisizione di immagini bidimensionali nel campo di frequenze del visibile. Tra tutte è la tecnica di immediata comprensione perché è la stessa utilizzata nelle comuni macchine fotografiche. Le immagini catturare contengono le stesse informazioni precipizio dall’occhio umano.
- 2. 2D imaging - infra-red: consiste nella acquisizione di immagini bidimensionali, così come avviene nella comune ripresa fotografica. Ma la informazioni catturata non consiste nelle radiazioni luminose nel campo del visibile, bensì nel campo dell’infrarosso. Le immagini catturare contengono informazioni sulla temperatura degli oggetti inquadrati. Quindi vanno oltre la capacità visiva umana.
- 3. Line scan (1D): in questa particolare tecnica l'acquisizione è uni-dimensionale, ossia le immagini sono acquisite una linea per volta. Il tipo di informazione catturata dipende dal tipo di sensore utilizzato. Questa tecnica è utilizzata quando una delle due dimensioni dell’oggetto da riprendere è così grande e da rendere necessaria è una scansione, ossia un movimento relativo tra il sensore di ripresa e l'oggetto di interesse. Si pensi ad esempio al controllo di qualità di prodotti continui come tessuto o carta, oppure nel controllo di infrastrutture come ferrovie oppure strade. La tecnica di elaborazione che utilizza questo tipo di immagine è nota col nome di web analysis;
- 4. 3D imaging: queste tecniche di acquisizione forniscono informazioni sulla posizione e sulle dimensioni degli oggetti. Infatti le immagini acquisite dai sensori nel campo del visibile forniscono informazioni sull'aspetto ma sono “piatte”, ossia non forniscono informazioni sulla distanza a cui gli oggetti sono. Nella visione umana questo problema è risolto con l'interazione tra i due occhi attraverso la tecnica della stereoscopia. Questo principio è alla base di una delle tecniche 3d della visione artificiale. Esistono altre tecniche come per esempio il laser ranging, le grid-based, il tempo di volo, e la fotogrammetria.Le tecniche di acquisizione 3d più note sono le seguentia. Fotogrammetria.
§8. More generally.
Più in generale.
Image acquisition is only one of the fundamental aspects of computer vision. I invite you to read the following page of my diary which offers a general introduction to this innovative technology and contains links to all the articles in my diary I have devoted to it.
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§11. Something about me, the founder and author of Tateo~Blog Project.
Qualcosa su di me, il fondatore e sull'autore del progetto Tateo~Blog.
First of all, thank you for visiting one of the pages of my project for Interdisciplinary Continuous Learning (TILLL which stands for Tateo's Interdisciplinary LifeLong Learning), of which I am the founder and author.
My name is Giovanni Battista Tateo (shortly Bat).
Innanzitutto ti ringrazio per aver visitato una delle pagine del mio progetto per l'Apprendimento Continuo Interdisciplinare (TILLL che sta per Tateo's Interdisciplinary LifeLong Learning), di cui io sono lil fondatore e l'autore.
Mi chiamo Giovanni Battista Tateo (brevemente Bat).
The Tateo~Blog (link) is an integral part of the project constitutes the means of sharing all updates.
I was initially an Information Technology expert, and later I became an electronic engineer, specializing in industrial Automation. I'm passionate about Artificial intelligence, Virtual Reality, Simulation, and I'm an expert in Artificial Vision applied to industrial Automation. Currently, and starting four years ago, I am employed as a Proposal Engineer at Mer Mec S.p.A. (:::) company. Previously, starting in 2004, I was employed, always at the same company, as a Designer of Artificial Vision Systems and Image Processing Algorithms, applied in particular to Railway Diagnostics. I am a supporter and promoter of Lifelong Learning, Social Networking and Knowledge Sharing by means of the web. If you want more details about me, visit the About Me (:::) page.
Il blog Tateo~Blog (link) è parte integrante del progetto costituisce il mezzo di condivisione di tutti gli aggiornamenti.
Sono stato in principio un esperto di Informatica, e in seguito sono diventato un Ingegnere Elettronico, specializzato in Automazione Industriale. Sono un appassionato di Intelligenza Artificiale, Realtà Virtuale, Simulazione, e sono un esperto di Visione Artificiale applicata all'Automazione Industriale. Attualmente, ed a partire dall'anno 2016, sono impiegato come Proposal Engineer presso la società Mer Mec S.p.A. (:::). Precedentemente, a partire dal 2004, sono stato impiegato, sempre presso la stessa società, come Progettista di Sistemi di Visione Artificiale e di Algoritmi di Elaborazione delle Immagini, applicati in particolare alla Diagnostica Ferroviaria. Sono un sostenitore e promotore dell'apprendimento permanente, dei social network e della condivisione delle conoscenze tramite il web. Se vuoi ulteriori dettagli su di me, visita la pagine About Me (:::).
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Originally published September 16, 2017,
updated July 25, 2022
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