Matrix Vision – kamery to już więcej niż obraz. To oczy i towarzyszący im mózg.

Temat kamer przemysłowych od zawsze budzi konsternację, szczególnie kiedy rozmawia się o nich z osobami, które nie miały z nimi dotychczas kontaktu. To urządzenia o ponadprzeciętnych parametrach, często wielokrotnie przekraczających standardy, do których przyzwyczaił nas sprzęt konsumencki. Jednocześnie zaś – próby zastosowania ich w celach nieprzemysłowych (np. poza sieciami monitoringu) najczęściej kończą się rozczarowaniem.

Dlaczego?

Jest to pytanie złożone. Spróbujemy jednak odpowiedzieć na nie, biorąc przy okazji na warsztat urządzenia Matrix Vision, marki należącej obecnie do firmy Balluff.

Czym są kamery przemysłowe?

Przede wszystkim: podział na kamery przemysłowe i wszystkie pozostałe nie w pełni odzwierciedla złożoną rzeczywistość. Granica pomiędzy różnymi rodzajami kamer istnieje. Znacznie lepiej jest jednak podzielić sprzęt tego typu na następujące segmenty:

  • Kamery konsumenckie, a więc wszystkie urządzenia fotograficzne i około-fotograficzne, z których korzystamy na co dzień, od aparatów w naszych smartfonach po profesjonalny sprzęt do rejestrowania wydarzeń dla mediów.
  • Urządzenia służące do monitoringu, a więc kamery nieprzemysłowe, ale również nie-przemysłowe. To typowe urządzenia spotykane w przestrzeni miejskiej, biurowej czy magazynowej. Znamy je dobrze; powszechnie kojarzą się z niską jakością, choć nie zawsze jest to prawdą.
  • Kamery przemysłowe, czyli urządzenia o znacznie lepszych parametrach, np. wysokiej rozdzielczości, stosowane często przy monitoringu, ale również w sytuacjach specjalistycznych (w wysokiej/niskiej temperaturze, w trudnych warunkach, pod wodą etc.).
  • Kamery Smart Vision, czyli nowoczesne kamery przemysłowe, będące w istocie nie tyle urządzeniami do rejestrowania obrazu, co miniaturowymi komputerami. Wyposażone w centralną jednostkę obliczeniową, a często także jednostkę graficzną, mogą na bieżąco przetwarzać i analizować obraz, także przekazywane przez nie informacje – nieważne: w postaci filmu czy danych – mogą zostać natychmiast wykorzystane do celów ściśle specjalistycznych (np. analiz opracowywanych z wykorzystaniem uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji). Dla pełnej ścisłości: kamery te rejestrują obraz. Jednak to, co nam zwracają, niekoniecznie musi być obrazem. Może być jego interpretacją.

Mówiąc o kamerach przemysłowych, najczęściej mówi się o dwóch ostatnich segmentach urządzeń. Coraz częściej zaś – jedynie o tym ostatnim. Stąd też zdziwienie u osób, które nie miały z nim wcześniej dużej styczności. Bo przecież w jaki sposób kamera może zwracać użytkownikowi coś innego niż nagranie?

Okazuje się jednak, że może. I często właśnie to jest jej celem.

Funkcje Smart Vision na przykładzie kamer Matrix Vision

Przyjrzyjmy się temu na kilku przykładach.

Kamery Smart Vision vs. kosmos, ostatnia granica

Dobrym przykładem mogą być kamery Matrix Vision z serii mvBlue: mvBlueFOX2, mvBlueFOX3, mvBlueCOUGAR-X oraz COUGAR-XD, a także mvBlueGEMINI. Jeżeli nazwy te kojarzą Wam się z kosmosem – ostatnią granicą, jak chce znany serial – to nie bez powodu; właśnie tam między innymi są stosowane. Nie trzeba wspominać, że mówimy o warunkach ekstremalnych. Dla większości kamer granica orbity jest rzeczywiście ostatnią granicą. Nie tylko dlatego, że ulegają zniszczeniu (choć to również ma znaczenie); także ze względu na to, że w takich sytuacjach najczęściej okazują się zwyczajnie nieprzydatne. Nagranie lotu na orbitę nie jest bowiem prostą sprawą. Aby uzyskać wysokiej jakości, czytelny obraz, trzeba dokonać wielu edycji; edycji, które angażują czas i pieniądze.

Wyobraźmy sobie teraz urządzenie, które robi to za nas. Nie samo, ma się rozumieć – musi zostać najpierw odpowiednio zaprogramowane. Wyobraźmy sobie jednak urządzenie, które stworzono z myślą o tym zastosowaniu. Kamerę, która poradzi sobie z każdym wyzwaniem.

Przykładem takiej kamery jest mvBlueLYNX-X, stworzone przez Matrix Vision urządzenie, które z powodzeniem zastosowano do rejestrowania eksperymentów przeprowadzanych w warunkach zerowej grawitacji – częściowo na orbicie okołoziemskiej. Eksperyment miał sprawdzić, w jaki sposób przebiega proces wiercenia w skale w stanie nieważkości. Na orbitę okołoziemską wysłano rakietę zawierającą całe środowisko eksperymentu (tj. wiertło, skałę, zestaw czujników oraz kamerę na bieżąco rejestrującą przebieg testu). Cały lot trwał zaledwie sześć minut, z czego w stanie nieważkości rakieta znajdowała się zaledwie przez dwie; w tym czasie przeprowadzone zostały wszelkie niezbędne pomiary. Nie trzeba mówić, że w takich warunkach niezwykle łatwo o błąd. Ponieważ jednak przeprowadzenie podobnych testów kosztuje (mówimy w końcu o wysłaniu skały w kosmos), i są to koszty mierzone w milionach, o żadnych błędach nie może być mowy.

Opracowana przez Matrix Vision kamera mvBlueLYNX-X musiała spełnić więc kilka warunków. Przede wszystkim: musiała być lekka. Zasady podboju kosmosu są proste: im coś jest lżejsze, tym taniej jest wysłać to w przestrzeń kosmiczną. Nawet niewielkie różnice wagi (rzędu kilku gramów) przekładają się na znaczące różnice kosztów. Oczywiście połączenie kamery z komputerem nie wchodzi tu w grę: za duże ryzyko. Komputer musi być zintegrowany z kamerą. Zarazem zaś: interfejs umożliwiający zdalne sterowanie urządzeniem musi być na tyle prosty (i responsywny), aby pozwolić nam na podejmowanie szybkich decyzji. Ostatecznie: mamy tylko 120 sekund. A łączność Ziemia-przestrzeń kosmiczna (choć obecnie całkiem niezła) nadal nie jest ideałem.

Dodajmy do tego wytrzymałość – bo przecież będziemy jej potrzebować: wyjście poza atmosferę zawsze stanowi pewne wyzwanie.

Wspomniany eksperyment został przeprowadzony w ramach projektu DREAM (Drilling Experiment for Asteroid Mining). Jego sponsorem była Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), a celem – zbadanie naszych możliwości w zakresie wydobywania surowców z asteroid. Eksperyment zakończył się – oczywiście – powodzeniem.

Kamery Smart Vision vs. inteligentne parkingi

Wróćmy jednak na chwilę na ziemię. Kamery Matrix Vision sprawdzają się również w bardziej przyziemnych zastosowaniach. Jednym z nich jest monitorowanie ruchu ulicznego. Kamery przemysłowe są więc stosowane m.in. do przeprowadzania różnego rodzaju analiz, od częściowo zautomatyzowanych badań natężenia ruchu po przypadki wymagające identyfikacji konkretnych aut, a nawet kierowców. Do tej pory było to trudne. Wyzwanie stanowiło nawet odczytanie zawartości tablicy rejestracyjnej pędzącego autostradą samochodu – a co dopiero mapowanie rysów twarzy prowadzącego go kierowcy?

Obecnie, dzięki kamerom takim jak mvBlueCOUGAR-XD104d jest to  możliwe. Z kamer tych korzysta się w zaawansowanych systemach monitoringu dróg i autostrad. W przyszłości jednak posłużą one do znacznie bardziej fantastyczno-naukowych zastosowań – m.in. obsługi w pełni zautomatyzowanych parkingów. Projekty takich parkingów istnieją – i nie są bynajmniej rzeczą nową. Coraz częściej przeprowadzane są jednak eksperymenty mające na celu ich komercjalizację. Wśród ekspertów panuje konsensus: problemy, które należy w tym celu rozwiązać, są czysto techniczne. Oznacza to, że rozwiązanie ich jest tylko kwestią czasu. Częścią tego rozwiązania są jednak wysokiej klasy systemy wizyjne; urządzenia wysyłające do systemu zarządzającego parkingiem nie tyle obraz, co obraz przetworzony na informacje – dane, z którymi system ten może pracować, umieszczając (na przykład) samochody w wyznaczonych dla nich miejscach.

Jest jasne, że zautomatyzowane parkingi nie będą przypominały tych znanych nam dzisiaj. Jeżeli nasz samochód będzie parkowany zdalnie przez automat, to pomieszczenie może być ciemne. Przestrzeń wymagana do umieszczenia poszczególnych aut również nie musi być taka jak dzisiaj: nikt nie będzie z nich przecież wysiadał. Kierowca pozostawi swoje auto przed wjazdem na parking, a tam kontrolę nad samochodem przejmie już automat. Kamery odpowiedzialne za nawigowanie samochodem w przestrzeni parkingu nie muszą w ogóle nagrywać obrazu. Muszą być natomiast szybkie, precyzyjne i niezawodne.

mvBlueCOUGAR-XD104d jest świetnym kandydatem do podobnych zastosowań, podobnie zresztą jak inne kamery Matrix Vision z tej serii.

Kamery Smart Vision vs. inteligentne roboty

Ostatnim z zastosowań, o których warto napisać (ale nie ostatnim zastosowaniem kamer Matrix Vision) jest robotyka. Tu sprawa jest prosta: robot w ogóle nie potrzebuje obrazu w takim sensie, w jakim potrzebuje go człowiek. Potrzebuje danych; najlepiej – od razu przetworzonych, tak aby nie musiał robić tego na pokładzie. Dlaczego? Ponieważ, najprościej rzecz ujmując, jest to dla niego proces kosztowny, nie inaczej zresztą niż dla dowolnego innego komputera. Lepiej, aby przetwarzanie danych, nie tylko wstępne, ale i zaawansowane, odbywało się już na pokładzie kamery.

Wszystkie wspomniane wcześniej kamery idealnie sprawdzą się w tych zastosowaniach. mvBlueFOX (2 i 3), COUGAR (X i XD), a także GEMINI powszechnie stosowane są przy konstrukcji robotów, od prostych urządzeń chwytających po bardziej zaawansowane, pełniące bardziej zróżnicowane funkcje roboty przemysłowe. Kamery Matrix Vision, przy odpowiednim ustawieniu, są w stanie bez trudu rozpoznawać przedmioty, śledzić ich ruch w przestrzeni (mówimy o dowolnej zmianie pozycji), a także… interpretować zmiany pozycji samego robota. Kamery Matrix Vision wykorzystywane są m.in. w konstrukcjach tworzonych w laboratoriach ETH Zurich; ostatnim dużym sukcesem, który robotyka zawdzięcza m.in. wykorzystaniu kamer Matrix Vision (konkretnie mvBlueFOX-MLC200wG) jest sukces eksperymentu z zastosowaniem nowoczesnego robota zdolnego pokonać nieprzekraczalną wcześniej przeszkodę: schody.

W przyszłości zastosowania kamer przemysłowych w robotyce będą coraz szersze. Ich przedłużeniem może okazać się również zastosowanie ich w dziedzinach, które robotyka chce przejąć, od prostych zastosowań transportowych (gdzie zaawansowane automaty stosowane są już teraz) po protetykę (gdzie trwają intensywne prace badawcze).

Podsumowanie

Kamery przemysłowe mogą przekazywać do odbiorcy obraz. Mogą przekazywać obraz i dane. A mogą, jeżeli chcemy, przekazywać tylko dane: w dowolny sposób oczyszczone, przetworzone i zmodyfikowane – lub nie poddane żadnej obróbce. Wszystko zależy od potrzeb użytkowników. Kamery Matrix Vision, na przykładzie których chcieliśmy przedstawić w tym tekście zastosowania kamer przemysłowych, są pod tym względem bardzo elastyczne, a w przypadku bardziej zaawansowanych zastosowań udostępniają prosty w obsłudze interfejs programistyczny. Mogą być także poddawane wstępnej customizacji; przy sprzęcie tego rodzaju jest to standardem.

Jest też jasne, dlaczego, pomimo potężnych możliwości i znacznie lepszych parametrów, kamery te nie zdobyły jeszcze popularności w segmencie konsumenckim. Oczywiście powstanie filmów, choćby eksperymentalnych, które nakręcone będą z ich udziałem, jest jedynie kwestią czasu. A ktokolwiek jako pierwszy postanowi stworzyć z ich udziałem sztukę, sukces ma praktycznie zapewniony. Pamiętajmy jednak, mówiąc o kamerach, że znaczenie tego słowa uległo istotnej ekstrapolacji. Kamery to już nie tylko oczy. Dzisiaj to oczy i towarzyszący im mózg.