Avicon

Najbardziej wydajny układ przetwarzania obrazów, znany pod nazwą system wizyjny,  jest w twojej głowie. Twój mózg nieustannie identyfikuje, przetwarza i interpretuje to co widzisz. To co dla Ciebie wydaje się naturalne i łatwe jest bardzo trudne to przełożenia na maszyny. Wszystkie konstruowane systemy wizyjne dążą do tego aby być tak dobrym i wydajnym w swoim działaniu jak ludzki mózg. Choć nadal niemożliwe jest stworzenie systemu wizyjnego tak uniwersalnego jak ludzki mózg, w określonej, specyficznej aplikacji to maszyny pozwalają już na większa wydajność kontroli wizyjnej, a także zapewniają większą stabilność działania systemu. System wizyjny w przeciwieństwie do ludzkiego mózgu nie straci koncentracji ani nie zmęczy po kilku, kilkunastu minutach. Odpowiednio skonstruowany system wizyjny jest kluczowym elementem linii produkcyjnej przemysłu 4.0. Zapewnia wysoką jakość powytwarzanych produktów w praktycznie każdej z branż. System wizyjny sprawdzi się zarówno przy produkcji żywności jak i elementów metalowych, może sprawdzać obecność elementów lub dokonywać dokładnej analizy wymiarowej. Pomiary 3D oraz rozpoznawanie znaków? W dzisiejszych czasach to bardziej kwesta zaplanowania terminu wdrożenia niż opracowania technologii.

Z czego się składa system wizyjny?

Głównym elementem systemu wizyjnego jest kamer wraz z obiektywem. Dlaczego te dwa elementy będą omówione razem? Ponieważ stanowią integralną całość, tak jak oko ludzkie. Obiektyw odpowiada rogówce, natomiast kamera, a dokładniej serce kamery, czyli sensor światłoczuły – plamce żółtej.

Obrazek posiada pusty atrybut alt; plik o nazwie g80231-1024x786.png

Sensor światłoczuły przekształca padający obraz na sygnał elektryczny proporcjonalny do natężenia światła. W większości systemów wizyjnych wystarczającym, a także lepszym rozwiązaniem są kamery monochromatyczne (czarno-białe). Zapewniają one lepszą rozdzielczość oraz ostrość obrazu w stosunku do kamer kolorowych. Kamery kolorowe sprawdzą się natomiast tam, gdzie ważna jest analiza koloru (choć to także zależy od zastosowania, ponieważ tej można również dokonać za pomocą kamery monochromatycznej wykorzystanej w zestawie z filtrami optycznymi). Ponieważ matryca rejestruje jedynie intensywność (jasność) padającego światła, aby uzyskać kolorowy obraz na sensorze kamery montowana jest matryca filtrów barwnych (filtrów Bayera): zielonych, czerwonych i niebieskich, które odcinają pozostałe długości fal, dlatego jeden piksel rejestruje intensywność tylko jednej składowej światła widzialnego. Na podstawie złożenia trzech składowych, tworzony jest wynikowy kolorowy obraz. Więcej na ten temat możesz przeczytać w naszym artykule CCD/CMOS.

W konstrukcji systemów wizyjnych stosuje się dwa różne typy kamer:

·        Kamery obrazowe – posiadają matrycę w kształcie prostokąta o boku nawet kilku tysięcy pikseli, służą do rejestracji całych obrazów 2D podczas jednego cyklu ekspozycji. Kamery takie będą użyteczne w systemach wizyjnych, gdzie w jednej chwili musi być zaobserwowany i poddany interpretacji cały obiekt lub cecha.

·        Kamery liniowe – posiadają matrycę w kształcie cienkiej linii o szerokości kilku pikseli, akwizycja obrazu za pomocą kamer liniowych przebiega linia po linii, dopiero po złożeniu linii uzyskiwany jest cały obraz obiektu. Kamery liniowe sprawdzą się tam gdzie obiekty poruszają się, np. na podajniku taśmowym, pozwalając uzyskać większą prędkość oraz rozdzielczość inspekcji.

·        Kamery 3D – w systemach wizyjnych stosowane są głównie kamery wykorzystujące technikę Time-of-Flight. Kamery takie wysyłają w kierunku obiektu modulowaną wiązkę światła podczerwonego i badają czas jaki potrzebny jest wiązce na pokonanie odległości kamera-obiekt-kamera. Na podstawie tego wyznaczana jest chmura punktów scen znajdującej się przed kamerą.

Obiektyw pełni w systemie wizyjnym dwie ważne role: skupia promienie światła z powierzchni obiektu na płaszczyźnie matrycy oraz ogranicza ilość światła padającego na matrycę. Dzisiaj obiektywy to skomplikowane konstrukcje, niejednokrotnie ceną dorównujące kamerze. Szczególnie trudne jest wykonanie dużych soczewek o wysokiej dokładności. Dlatego też wraz z rozmiarem obiektywu bardzo szybko rośnie jego cena.

W zależności od sposobu prowadzenia promieni oraz oferowanych funkcji obiektywy można podzielić na kilka podstawowych rodzajów:

·        Obiektywy stałoogniskowe – najpopularniejsze rozwiązanie stosowane w systemach wizyjnych. Jak sama nazwa wskazuje obiektywy posiadają stałą ogniskową, czyli nie oferują zmiany pola widzenia bez zmiany dystansu roboczego. Obiektywy te posiadają dwa pierścienie regulacyjne: pierwszy do nastawiania ostrości, drugi do sterowania przysłoną. Najczęściej, systemy wizyjne są tak konstruowane, aby nie było potrzeby zmiany dystansu roboczego, dlatego obiektywy stałoogniskowe stanowią idealny kompromis pomiędzy funkcjami a ceną.

·        Obiektywy zmiennoogniskowe – zasada działa obiektywów zmiennoogniskowych jest podobna jak obiektywów stałoogniskowych, z tym, że oferują dodatkowo możliwość zmiany ogniskowej, czyli modyfikacji pola widzenia kamery. Takie obiektywy częściej znajdują zastosowanie np. w robotyce, szczególnie jeśli są wyposażone w elektroniczne sterowanie. Będą również dobrym rozwiązaniem w testowaniu rożnych rozwiązań przy konstrukcji systemu wizyjnego.

·        Obiektywy telecentryczne – charakteryzują się prowadzeniem promieni równolegle do osi optycznej. Dzięki braku błędu perspektywy, obiektywy telecentryczne są używane do precyzyjnej analizy wymiarowej. Obiektywy telecentryczne mogą współpracować zarówno z kamerami obrazowymi jak i liniowymi. Ponieważ pole widzenia obiektywów telemetrycznych jest równe średnicy soczewki frontowej obiektywu, obiektywy telecentryczne są droższymi rozwiązaniami o dwóch wyżej przedstawionych rozwiązań.

·        Optyka 360 – inaczej zwane obiektywami perycentrycznymi. Specjalna konstrukcja tych obiektywów umożliwia jednoczesną obserwację powierzchni frontowej oraz bocznej obiektywu. W zależności od modelu obiektywy pozwalają np. przeprowadzać inspekcję wnętrza nakrętki butelki a także gwintu za pomocą jednej kamery obrazowej. Inne rozwiązania umożliwiają podgląd całej etykiety umieszczonej na szyjce butelki.

Oświetlenie stosowane w systemach wizyjnych zostało całkowicie zdominowane przez diody LED. Oświetlacze LED to bardzo wydajne źródła światła światła ciągłego, dostępne w wielu różnych barwach zakresu widzialnego, UV oraz IR. Diody LED są energooszczędnym rozwiązaniem, dzięki czemu nie emitują dużej ilości ciepła w porównaniu do innych źródeł światła.

W systemach wizyjnych stosowane są następujące rodzaje oświetlaczy:

·        Oświetlacze frontowe – zazwyczaj maja kształt prostokąta o różnych proporcjach boków: od cienkiego prostokąta po duże kwadraty. Oświetlacze te używane są do frontowego oświetlania obiektów, z tej samej strony gdzie ustawiona jest kamera. Oświetlacze frontowe często posiadają soczewki na diodach LED, które umożliwiają skupianie światła na większych dystansach.

·        Oświetlacze tylne – kształtem oraz charakterystyką świecenia przypominają oświetlacze frontowe, z tym że w przeciwieństwie do nich prawie zawsze posiadają matowy, rozpraszający światło dyfuzor, zapewniający wysoką jednorodność generowanego światła. Oświetlacze tylne umieszczane są za obiektem (często bezpośrednio za nim) i emitują światło w kierunku kamery. Taki rodzaj światła uwydatnia krawędzie obiektów.

·        Oświetlacze pierścieniowe – posiadają diody LED rozłożone na planie pierścienia. Oświetlacze pierścieniowe montowane są często na kamerze, bądź w pobliżu kamery tak aby kamer patrzyła przez ich otwór. Oświetlacze pierścieniowe również służą do frontowego oświetlania obiektów, zapewniają równomierne oświetlenie bez wskazanego kierunku.

·        Oświetlenie bezcieniowe – szczególnie przydatne przy oświetlani wysoko-refleksyjnych powierzchni. Oświetlenie bezcieniowe zapewnia gładkie jednorodne oświetlenie, równomiernie podkreślające cechy obiektów. Oświetlacze bezcieniowe mogą mieć kształt kopuły lub tunelu z otworem na kamerę (diody LED umieszczone w podstawie obudowy, kopuła/tunel pokryta chropowatą warstwą równomiernie kierująca światło w kierunku obiektu) lub płaskiego oświetlacza frontowego z otworem na kamerę (kopuła o promieniu ~nieskończoność, zasada działania podobna do oświetlaczy frontowych, z tym, że centralnie umieszczona kamera nie powoduje powstawania cieni)

·        Oświetlacze współosiowe – zazwyczaj mają kształt prostokąta z diodami LED umieszczonymi w podstawie oraz płytką światłodzielącą umożliwiającą nakładanie się źródła światła oraz kamery. Takie połączenie pozwala dobrze uwidocznić nierówności na płaskich powierzchniach. Podobnie do oświetlaczy bezcieniowych, są odpowiednim rozwiązaniem do systemów wizyjnych, w których obserwowane są połyskliwe przedmioty

·        Oświetlacze liniowe – oświetlacze dedykowane do pracy w systemach wizyjnych, wykorzystujących kamery liniowe. Cechują się bardzo jasną skupioną, podłużną wiązką światła precyzyjnie oświetlającą fragment obiektu obserwowanego przez kamerę. Oświetlacz liniowe mają wąski pasek diod LED najczęściej połączony z soczewką walcową, aby światło mogło pozostać skupione na większych odległościach roboczych.

·        Oświetlacze punktowe – małe oświetlacze składające się z jednej/kilku diod LED. Sprawdzą się tam, gdzie jest potrzeba oświetlania niewielkich powierzchni lub np. jako źródło światła w obiektywach telecentrycznych z wydzielonym oświetleniem współosiowym

·        Oświetlacze hiperspektralne/multispektralne – oświetlacze te charakteryzują się emisją co najmniej kilku różnych długości fal światła. Oświetlacze te mogą przyjmować kształty różnych oświetlaczy wymienionych powyżej. Najczęściej są wykorzystywane w parze z kamerami hiperspektralnymi.

·        Źródła światła – emitują silne światło o określonej charakterystyce, które następnie prowadzone jest za pomocą światłowodu do miejsca inspekcji. Ten typ oświetlaczy wykorzystywany jest m.in. w mikroskopach lub specjalnych oświetlaczach, nieposiadających elektroniki.

System wizyjny w rzeczywistości

Systemy wizyjne są szeroko stosowane w przetwarzaniu oraz produkcji wyrobów plastikowych. W dzisiejszych czasach praktycznie każdy zakład produkcji folii korzysta z systemu automatycznej inspekcji. Szczególnie kamery liniowe pozwalają na wydajną oraz szczegółową kontrolę foli przewijanej na rolkach. Innymi materiałami poddawanymi inspekcji są np. płatki PET, szczególnie w przypadku sorterów optycznych oraz drobne elementy plastikowe, akie jak ampułki, pojemniki, preformy, a także całe butelki.

Także przemysł spożywczy czerpie wiele korzyści ze stosowania systemów wizyjnych. Kontroli wizyjnej może być poddawane zarówno jedzenie jak i opakowania żywności. Systemy wizyjne mogą np. oceniać świeżość mięsa, owoców, warzyw, wyszukiwać „sugar spoty” na ziemniakach, dokonywać detekcji zanieczyszczeń w dostarczanym materiale wsadowym do produkcji żywności. Do kontroli opakowań można zaliczyć kontrolę jakości zgrzewu, z zakresu OCR/OCV – kontrola nadruku etykiet, systemy wizyjne sprawdzające gwint na butelkach/ w nakrętkach z wykorzystaniem obiektywów perycentrycznych, analiza kompletności ułożenia produktów w kartonach lub na paletach.

Systemy wizyjne są również obecne w drukarniach, gdzie służą automatycznemu rozpoznawaniu oraz weryfikacji tekstu, a także ocenianiu jakości druku. W drukarniach często stosuje się również systemy do podglądu druku, który przesyłany jest do operatora w celu dokonania oceny.