Czym jest temperaturowy dryft obrazu w kamerach?

Nowości Technologia

Czym jest temperaturowy dryft obrazu w kamerach?

W świecie inżynierii optycznej kamery są kluczowym narzędziem, wykorzystywanym w takich dziedzinach jak wizja maszynowa, autonomiczne pojazdy, obrazowanie medyczne czy systemy bezpieczeństwa. Ich precyzja zależy nie tylko od zaawansowanej technologii, ale również od stabilności środowiska, w którym pracują. Jednym z największych wyzwań w tym zakresie jest temperaturowy dryft obrazu, zjawisko, które potrafi skutecznie zakłócić działanie nawet najbardziej zaawansowanych systemów pomiarowych.

Co to jest temperaturowy dryft obrazu?

Temperaturowy dryft obrazu to zmiana położenia pikseli w obrazie rejestrowanym przez kamerę, spowodowana zmianami temperatury. Wyobraźmy sobie, że kamera patrzy na nieruchomy obiekt – np. prosty wzór składający się z czarnych kropek na białym tle. W idealnych warunkach każda kropka zawsze pojawiałaby się w tym samym miejscu na zdjęciu. W praktyce jednak, gdy temperatura wzrasta lub spada, obraz zaczyna „dryfować”, czyli zmieniać swoje położenie na poziomie subpikselowym lub nawet pikselowym.

Zjawisko to jest wynikiem dwóch głównych czynników:

nagrzewanie się kamery podczas pracy – kamery, zwłaszcza te używane w przemyśle, generują ciepło, które deformuje ich wewnętrzne komponenty, takie jak matryca sensora, obiektyw czy obudowa. To zjawisko jest najbardziej intensywne w momencie włączenia kamery. Dynamika deformacji zaczyna się zmniejszać w momencie, gdy kamera osiąga stan równowagi termodynaczminej (proces rozgrzewana się dobiegł końca).

zmiany temperatury otoczenia – różnice w temperaturze otoczenia mają taki sam wpływ na deformacje struktur i komponentów kamery. W zależności od amplitudy i dynamiki zmian temperatury, deformacje struktur kamery mogą być niewielkie, bądź też dość znaczące.

Dlaczego temperaturowy dryft jest problemem?

Największym wyzwaniem w walce z temperaturowym dryftem jest jego losowy charakter. Nawet jeśli kamera wraca do tej samej temperatury początkowej, to punkty obrazu mogą znajdować się w zupełnie innych miejscach niż wcześniej. Oznacza to, że standardowe metody kompensacji – które bazują na przewidywalnych wzorcach – nie są skuteczne w eliminacji temperaturowego dryftu obrazu.

Jak wygląda dryft w praktyce?

Zjawisko to zostało zaobserwowane w wielu eksperymentach. Na przykład w badaniu opisanym w artykule, podczas nagrzewania kamery do stabilnej temperatury, obraz punktów markerów przesuwał się w nieprzewidywalny sposób. Trajektorie tych punktów w dwóch różnych eksperymentach pokazano na Rys. 1. Mimo identycznych warunków początkowych, każda seria nagrzewania dała inne rezultaty.

Fig1a.png

Fig1b.png

Rys 1. Temperaturowy dryft obrazu zaobserwowany w dwóch eksperymentach podczas nagrzewania kamery IDS UJ-6280SE-M-GL-R3. Po każdym eksperymencie kamera była schładzana. Tło każdego zdjęcia to pierwszy zarejestrowany kadr. Kolorowe punkty (niebieskie dla najniższej temperatury 24°C i czerwone dla najwyższej 45°C) oznaczają kolejne pozycje wyliczonych środków markerów. Przesunięcia współrzędnych zostały powiększone 100-krotnie, aby były bardziej widoczne. Źródło.

Skąd bierze się losowość?

W przypadku typowych kamer przemysłowych sensor obrazu jest sztywno przymocowany do obudowy za pomocą połączenia gwintowanego. Taka konstrukcja sprawia, że podczas zmiany temperatury sensor nie ma swobody ruchu i ulega naprężeniom mechanicznym. W efekcie, gdy siły związane z rozszerzalnością cieplną przekroczą tarcie między śrubami a mocowaniem, sensor może się przesunąć. Niestety, przesunięcia te są losowe i zależą od wielu czynników, takich jak siła dokręcenia śrub czy specyficzne właściwości materiałów.

Mechanizm ten został szczegółowo zilustrowany na schemacie na rysunku Rys 2. Warto zwrócić uwagę na to, jak naprężenia w elementach mechanicznych mogą prowadzić do niekontrolowanych ruchów sensora.

Rys. 2. Przyczyna temperaturowego dryftu obrazu: Płytka drukowana (zielona) z sensorem (niebieski) rozszerza się pod wpływem wzrostu temperatury (nagrzewanie kamery lub zmiana temperatury otoczenia). Brak swobody ruchu płytki powoduje, że nie może się ona swobodnie odkształcać, ponieważ reakcja tarcia (żółta) między śrubami (ciemnoszare), płytką a obudową blokuje jej ruch. Gdy siły rozszerzalności (czerwone) przewyższają tarcie, sensor przemieszcza się w nieprzewidywalny sposób. Źródło.

Dlaczego to takie istotne?

Dla użytkowników kamer w zastosowaniach pomiarowych (przemysłowych, medycznych czy badawczych), nawet najmniejsze przesunięcia obrazu mogą prowadzić do błędów w analizie danych. Przykładowo, w systemach wizyjnych stosowanych w robotyce precyzyjnej, gdzie margines błędu jest minimalny, temperaturowy dryft może spowodować błędne pozycjonowanie robota.

W systemach medycznych, takich jak tomografia optyczna, przesunięcia obrazu mogą wpłynąć na dokładność diagnozy. Dlatego też problem ten jest nie tylko technicznym wyzwaniem, ale również praktycznym ograniczeniem w wielu kluczowych dziedzinach.

Czy można coś z tym zrobić?

Choć kompensacja temperaturowego dryftu jest trudna, to rozwiązania istnieją. Jednym z podejść jest zastosowanie technologii Athermalized, która wprowadza modyfikację w optomechanicznej strukturze kamery. Modyfikacja ta powoduje znaczące zredukowanie naprężeń termicznych i usunięcie losowego charakteru temperaturowego dryftu obrazu. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o temperaturowym dryfcie obrazu oraz o metodzie kompensacji – zapraszam do lektury artykułu albo do kontaktu.

0 Comments