Cámaras industriales con compresión de imágenes JPEG integrada

Si se aplica una compresión de imágenes directamente en la cámara, se obtienen muchas ventajas tanto para la estructura del sistema como para un uso flexible y rentable.

• Menor ancho de banda: debido a la elevada tasa de compresión con buena calidad de imagen, se puede usar una alta resolución y velocidad de captura al mismo tiempo que se dispone de un ancho de banda reducido. Esto es suficiente, por ejemplo, para la transferencia de imágenes a color Full HD en el caso de 300 imágenes/s de GigE con aprox. 100 MB/s.
   
• Estructura flexible del sistema: en comparación con el USB, hay una velocidad de fotogramas considerablemente mayor y más flexibilidad en cuanto a las longitudes de cable de hasta 100 metros. Esto también permite el uso de commutadores de red GigE, la implementación de sincronización de múltiples cámaras por PTP o el uso de un Uplink de 10 GigE por cable de fibra para grandes tramos de transferencia de hasta 10 kilómetros.
   
• Reducción de la carga de la CPU: en el ordenador no se produce carga de la CPU para el cálculo del color, la conversión según YCbCr ni la compresión de imágenes. Así se reducen significativamente los requisitos respecto al tamaño de la memoria principal y el ancho de banda del medio de almacenamiento. La reducida necesidad de espacio de almacenamiento permite además duraciones de las capturas considerablemente mayores.

En 1992, el Joint Photographic Experts Group (JPEG) publicó la norma ISO/IEC 10918 que incluye varias partes, especialmente la propia compresión de fotos individuales, así como el formato para guardar JFIF (JPEG File Interchange Format). Es uno de los formatos de imagen más usados.

La compresión se realiza en varios pasos parciales. Las imágenes a color se convierten desde espacio de color RGB al modelo de color YCbCr. Este está compuesto por la luminancia Y (luminosidad) y los dos componentes cromáticos Cb (crominancia azul-amarillo) y Cr (crominancia rojo-verde). Mediante un filtro de paso-bajo y un submuestreo se reduce la información cromática. Se aprovecha que el ojo humano descompone los colores considerablemente menos que la diferencia de luminosidad.

Tras la conversión, para cada componente (Y, Cb y Cr) se realiza una división en 8 × 8 bloques y su transformación discreta en coseno (DCT). La reducción de datos propiamente dicha se consigue mediante la subsiguiente cuantificación. La finalización de la compresión de imágenes crea una redistribución según la frecuencia de los coeficientes y una codificación de entropía. Para lograr un rendimiento elevado, estos procesos se pueden ejecutar en paralelo.

La compresión JPEG básicamente conlleva pérdida, ya que se reduce la calidad de la imagen. Para imágenes monocromas, una tasa de compresión en el rango de 5:1 no conlleva pérdida visual. En el caso de una tasa de 10:1, la calidad es suficiente para muchas aplicaciones. No obstante, unas tasas de compresión mayores provocan artefactos significativos en la imagen, como formación de bloques y niveles en los bordes. Al usar imágenes a color en RGB, se pueden usar tasas de compresión de 12:1 para una buena visibilidad sin pérdidas y 35:1 para una buena calidad.

La tasa de compresión JPEG se puede configurar en el rango de un 30–100 % de forma flexible mediante el parámetro «Image Compression Quality» y así se permite una adaptación individual de la calidad de imagen a la aplicación respectiva.

Es compatible con imágenes monocromas o a color de 8 bits. Se realiza un cálculo de color de alta calidad (p. ej., en un entorno de 5 × 5) así como la conversión a YCbCr422_8 para las cámaras a color. La compresión de imágenes JPEG se realiza de forma secuencial con pleno rendimiento del sensor. La latencia adicional debida a la compresión es nimia. La implementación se realiza en base al estándar GigE Vision 2.0 por tipo de JPEG Payload. La corriente JPEG generada contiene todos los encabezados y se puede guardar directamente en un archivo JPEG. En los metadatos se transfiere un sello temporal y la posición ROI en la corriente JPEG. No está prevista una imagen de vista previa ni la transferencia paralela de imágenes originales y JPEG.

La compresión de imágenes JPEG se puede usar en cualquier lugar donde se necesiten secuencias de imagen durante un periodo de tiempo prolongado. En especial cuando el ancho de banda de la transferencia o el medio de almacenamiento tienen limitaciones o el ordenador no puede ejecutar el procesamiento adicional, por ejemplo, para varias cámaras. Como la calidad de imagen es algo reducida en comparación con la original, no se recomienda su uso en aplicaciones de técnicas de medición.

Para una integración y utilización sencillas de las cámaras VLXT.JP hay disponibles distintas opciones de software.

• Clientes OEM: si las cámaras se deben integrar en aplicaciones propias, Baumer GAPI SDK está disponible. Los ejemplos demuestran la configuración, la entrada de imágenes y el almacenamiento como archivo .jpg. Con bibliotecas como FFmpeg también se pueden generar vídeos directamente a partir de imágenes individuales.
   
• Usuario final: si las cámaras son usadas por el usuario final, se puede recurrir a Baumer Camera Explorer. En la aplicación gráfica de manejo sencillo se pueden parametrizar las cámaras, así como captar y mostrar imágenes. Además, hay disponibles funciones adicionales como High Speed Recording en la memoria principal o directamente en el disco duro, la gestión de memorias cíclicas con disparo mediante I/O Event, así como la generación de un vídeo. Mediante la compatibilidad de las cámaras LXT.JP se puede decodificar, por ejemplo, el flujo de datos comprimido transferido directamente para su visualización o se puede guardar como archivo .jpg. El Camera Explorer permite capturas prolongadas para la captación de secuencias a alta velocidad directamente en un disco duro USB.
   
• Software de terceros para grabar vídeos: NorPix ofrece software y soluciones para la grabación de vídeos digitales. Con los paquetes StreamPix o TroublePix se pueden usar una o varias cámaras para secuencias de alta velocidad. Las áreas de aplicación típicas son el análisis de errores para máquinas e instalaciones en el entorno industrial. Las cámaras VLXT-06M.I.JP de Baumer se usan, por ejemplo, para la monitorización de instalaciones de producción. Gracias a su rendimiento de hasta 1500 fps a 800 × 600, permiten una resolución espacial y temporal muy elevada. La compresión JPEG también se puede usar para una prolongada duración de grabación de 189 horas.
   
• Software de terceros para analizar el movimiento: El software de análisis de movimiento TEMPLO de CONTEMPLAS GmbH permite el análisis de movimiento y posición en el sector sanitario y deportivo. La solución del sistema de hardware y software está dirigida a usuarios finales profesionales y se comercializa y utiliza en todo el mundo. Se usa la cámara a color VLXT-31C.I.JP de 3 MP de Baumer con velocidad de fotogramas de hasta 300 fps con Full-HD para análisis deportivos de alto rendimiento, como natación o balonmano.
   
• Software de terceros para analizar vídeos en el ámbito de los deportes: Kinovea permite, gracias a su variedad de herramientas, el seguimiento de objetos o la medición de la velocidad y el ángulo, por ejemplo. Como solución Open-Source gratuita, se utiliza, por ejemplo, en entornos universitarios y deportes amateur. Las cámaras VLXT.JP de Baumer están integradas directamente y permiten un rendimiento muy elevado, una sincronización sencilla y una extraordinaria robustez.