Oświetlenie w systemach wizyjnych
| TechnikaZagadnienia poruszane w artykułach prasowych dotyczących systemów wizyjnych poruszają często temat inteligentnych kamer, komunikacji systemu z komputerem oraz możliwości całych stanowisk inspekcji wizyjnej. W poniższym opisie skupiono się na innych, w praktyce nawet istotniejszych zagadnieniach, które związane są z integralnym elementem każdego systemu wizyjnego, jaki stanowią podzespoły oświetlające badane obiekty. Nawet najdokładniejsze i najszybsze kamery nie byłyby bowiem w stanie wykonywać poprawnych i powtarzalnych pomiarów bez odpowiednio dobranego i zainstalowanego systemu oświetlenia.
ZNACZENIE OŚWIETLENIA W SYSTEMACH WIZYJNYCH
Głównym celem oświetlania obiektów badanych przez systemy wizyjne jest ich wyeksponowanie tak, aby były jak najlepiej widoczne względem tła. Dobór odpowiedniego rodzaju oświetlenia jest zależny od własności fizycznych badanego obiektu, takich jak jego kolor czy odblaskowość, oraz celu inspekcji wizyjnej. Światło skierowane na oświetlany obiekt ulega następującym zjawiskom fizycznym: część zostaje odbita od obiektu, część zostaje przez niego pochłonięta (i może zostać w późniejszej fazie wyemitowana), a część padającego światła może przez obiekt przeniknąć. Zostało to zobrazowane na rys. 1.
Wielkość każdej z tych trzech składowych (odbitej, przechodzącej i pochłoniętej) jest uzależniona od własności fizycznych elementu. Przykładowo, oświetlając metal lub folię – najwięcej światła zostanie odbite od ich powierzchni, co może się objawiać w tzw. refl eksach (rys. 2). Natomiast w przypadku czarnej gumy sytuacja jest odwrotna. Guma absorbuje bardzo dużą ilość światła, co jest przyczyną problemów z poprawnym jej doświetleniem.
Optymalne dobranie wyżej wymienionych składowych światła do badanego obiektu zapewnia uzyskanie zadowalającego obrazu z kamery i poprawnych pomiarów z wykorzystaniem systemu wizyjnego. Dysponując dowolnym tego typu systemem bardzo łatwo jest przeprowadzić kilka testów, których wyniki pomogą w zrozumieniu kwestii związanych z poprawnym oświet leniem. Przykładowo wystarczy porównać obraz uzyskiwany z kamery przy świetle dziennym z obrazem obiektu oświetlonym zwykłą lampą. W drugim przypadku zaobserwujemy „drgania” światła związane z naturą prądu przemiennego.
Co więcej – przy obecnych wymogach kontroli jakości, które nierzadko zakładają dopasowanie badanego obiektu do wzorca z dokładnością rzędu 90‒95%, niepoprawnie dobrane oświetlenie wpłynąć może na wyniki pomiarowe w sposób losowy. Oznacza to, że akceptowane będą zarówno elementy odbiegające od wzorca powyżej zakładanej granicy dokładności, jak i odrzucane zostaną elementy poprawne. Powodem tego będzie brak powtarzalności wykonywanych pomiarów. Wyniki testów w laboratorium pokazały, że przy niedokładnie dobranym oświetleniu wyniki kilkudziesięciu inspekcji tego samego przedmiotu różniły się będą od siebie o około 15‒20%.
Analizując problem z drugiej strony, stwierdzić można, że poprawne oświetlenie zapewnia możliwość przeprowadzania niezwykle dokładnych inspekcji wizyjnych zarówno elementów stacjonarnych, jak i ruchomych. Dokładności obecnych kamer sięgają mikrometrów, jednak ich wykorzystanie wymaga zapewnionej powtarzalności „widzenia”.
W laboratorium Visionlab firmy Elautec wykonano test dotyczący dokładności inspekcji obiektu (klucza do zamka) systemem wizyjnym PPT Vision z oświetlaczem firmy Ai typu backlight (rys. 3). Stopień przypasowania do wzorca wynosił 95%. Przy poprawnie oświetlonym obiekcie powtarzalność pomiaru osiągnęła 100% dla 100 powtórzeń.
RODZAJE OŚWIETLACZY ORAZ ICH PRZEZNACZENIE
Istnieje kilka rodzajów oświetlaczy do systemów wizyjnych. Dobór poszczególnych rozwiązań technicznych uzależniony jest od własności badanego obiektu oraz od wymagań, jakie stawia się inspekcji wizyjnej. Można jednak ogólnie przedstawić przeznaczenie poszczególnych typów oświetlaczy, co ułatwi poszukiwania optymalnego rozwiązania do konkretnych aplikacji.
OŚWIETLENIE TYLNE
Oświetlacze rodzaju backlight służą do oświetlenia obiektów od tyłu, czyli podświetlenia go. Uzyskiwany przez kamerę obraz ma charakter zaczernionego pola o kształcie badanego obiektu.
Tego typu oświetlenie jest stosowane najczęściej w przypadku inspekcji polegającej na wykrywaniu obecności lub nieobecności obiektu, sprawdzaniu istnienia lub braku otworów w obiekcie oraz przy pomiarach gabarytów badanego elementu. W przypadku konieczności wykonywania bardzo dokładnych pomiarów krawędzi stosuje się polaryzatory światła, których zadaniem jest eliminacja występującego czasami rozmycia krawędzi obiektu.
Dostępne na rynku oświetlacze backlight różnić się mogą dość znacznie konstrukcją wewnętrzną oświetlacza (rys. 5) oraz uzyskiwanym natężeniem światła, co wynika w dużej mierze z liczby użytych diod. Wadą oświetlenia typu backlight jest trudność przy jego instalacji na linii produkcyjnej, gdzie elementy znajdują się w ruchu na taśmie.
OŚWIETLACZE PIERŚCIENIOWE
Oświetlacze tego typu określane są często mianem ring light i ma ją budowę pierścienia, który instalowany jest na kamerze (rys. 6). Wyróżnia się ich dwa typy – oświetlacze pola jasnego (bright field) oraz oświetlacze pola ciemnego (dark field).
Wersja bright field zapewnia równomierne i stabilne oświetlenie obiektu, bez eksponowania jego cech. Oświetlacze typu dark field umieszczane są pod niewielkim kątem względem obiektu, co zapewnia lekkie przyciemnienie oświetlanych powierzchni płaskich oraz eksponuje krawędzie badanego przedmiotu. Efekt działania oświetlacza jest analogiczny do wykorzystania świateł mijania w samochodzie. Skierowane są one na drogę pod małym kątem, tak aby odbijające się światło dostarczało informacji o garbach, dziurach i innych przeszkodach na powierzchni asfaltu. Przykładowe rozmieszczenie oświetlaczy typu pierścieniowego przedstawia rys. 7, natomiast na rys. 8 zobrazowane zostały efekty użycia obu typów oświet lacza.
DIFFUSELITE ORAZ AXIAL DIFFUSELITE
Wymienione typy oświetlaczy to źródła światła rozproszonego. Diffuselite występuje najczęściej w postaci kopuły umieszczanej nad badanym obiektem, która zapewnia równomierne rozchodzenie się światła w każdym kierunku, a w konsekwencji równomierne oświetlenie całego przedmiotu. Oświetlacz typu axial diff uselite ma najczęściej kształt prostopadłościanu, w którym znajduje się półprzepuszczalne lustro służące do kierowania światła wzdłuż osi optycznej kamery (rys. 9).
Omawiane oświetlacze zapewniają eliminację refl eksów na oświetlanych powierzchniach, ponieważ padające światło jest rozproszone. Z tego powodu głównym ich przeznaczeniem jest oświetlanie dużych, zwłaszcza odblaskowych, powierzchni – np. obiektów metalowych lub folii.
INNE RODZAJE OŚWIETLACZY
Opisane powyżej rodzaje oświetlaczy są najczęściej spotykanymi w przemyśle. Istnieją jednak także inne rodzaje oświetlaczy, których użycie zależne jest od potrzeb i wymagań inspekcji wizyjnej oraz od wymiarów badanych obiektów. Przykładami są oświetlacze z matrycą liniową (rys. 10) oraz oświetlacze punktowe (rys. 11).
OŚWIETLACZE MONOCHROMATYCZNE A OŚWIETLACZE RGB
Po dobraniu rodzaju oświetlacza do obiektu, który będzie poddany inspekcji wizyjnej, należy dobrać długość fali świetlnej, którą obiekt będzie oświetlany. W laboratorium Visionlab przetestowano oświetlacze o następujących kolorach (długościach fali): niebieskie (470nm), zielone (520nm), żółte (590nm), pomarańczowe (625nm), czerwone (660nm), białe oraz wielokolorowe.
Typowymi wersjami wykorzystywanymi w przemysłowych systemach wizyjnych są oświetlacze koloru czerwonego lub białego, ponieważ te dwa są bardzo dobrze „widziane” przez przetworniki kamer. Czasami jednak warto dokonać analizy badanego obiektu, aby dobrać kolor oświetlenia optymalnie dla danego przedmiotu.
Powszechnie wiadomo, że każdy materiał pochłania i odbija światło o innej długości fali. W praktyce wykorzystanie oświetlenia o kolorze analogicznym do koloru badanego elementu powoduje jego rozjaśnienie. Z kolei oświetlenie koloru przeciwstawnego powoduje efekt przeciwny. Przykładowo – światło koloru żółtego sprawi, że żółte elementy staną się jaśniejsze, natomiast użycie światła czerwonego do inspekcji elementów zielonych spowoduje, że staną się one ciemniejsze. Zależność tę zaprezentowano na rys. 12, gdzie przedstawiono tzw. koło przeciwstawnych barw (warm vs. cool colors diagram).
Poprawne dobranie oświetlenia do systemu wizyjnego oznacza możliwość tworzenia odpowiedniego kontrastu, który wyeksponuje te części elementu, które mają zostać poddane inspekcji wizyjnej. Rysunek 13 przedstawia takie same obiekty oświetlone światłem o różnej długości fali. Łatwo zauważyć, jak zmienia się kontrast badanych obiektów względem siebie i tła przy różnych kolorach padającego światła.
W przypadku zaawansowanych systemów inspekcji wizyjnej zastosowanie znajdują oświet lacze wielokolorowe RGB. Oświetlacze te umożliwiają, oprócz użycia różnych kolorów naraz, również świecenie na biało, jak też szerokie operowanie kontrastem poprzez rozjaśnianie i przyciemnianie konkretnych kolorów elementu, co pozwala na znalezienie optymalnego oświetlenia badanego obiektu.
OŚWIETLACZE WYKORZYSTUJĄCE PODCZERWIEŃ
W laboratorium Visionlab przetestowano również oświetlacze wykorzystujących światło podczerwone. Główną ich zaletą jest wykorzystanie światła o długości fali 880nm, co umożliwia głęboką penetrację materiałów, zwłaszcza polimerowych.
Dodatkową zaletą wykorzystania podczerwieni jest neutralizowanie kontrastu, co objawia się swoistym „wygaszeniem” różnic kolorów. Oświetlacze wykorzystujące podczerwień znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie ilość i jaskrawość kolorów mogłaby wpłynąć niekorzystnie na jakość obrazów uzyskiwanych w systemie wizyjnym.
TRYBY PRACY OŚWIETLACZY
Większość oświetlaczy systemów wizyjnych pracować może w dwóch podstawowych trybach: ciągłym i strobowanym. Tryb ciągły oznacza, że oświetlacz jest włączony przez cały czas trwania inspekcji i wymiany badanych elementów. Przykładowo może być to oświetlacz kopułowy oświetlający linię produkcyjną, na której zaimplementowany jest system wizyjny odpowiadający za kontrolę jakości. Elementy przemieszczają się na taśmie, a gdy znajdą się w obszarze oświetlonym, program systemu wizyjnego dokonuje inspekcji.
Przeciwieństwem trybu ciągłego jest strobowanie. Jest to zsynchronizowany z pracą kamery błysk oświetlający obiekt tylko w chwili robienia zdjęć. Tryb ten umożliwia uzyskiwanie dużo większego natężenia światła, dlatego że w tak krótkich chwilach czasowych diody mogą pracować z dużo większą mocą niż przy pracy ciągłej. Co więcej – wydłuża on czas życia oświetlacza, gdyż diody niepracujące w sposób ciągły, zużywają się wolniej. Kolejną zaletą światła strobowanego jest to, że eliminuje ono wpływ światła zewnętrznego na oświetlenie obiektu. Związane jest to z uzyskiwanymi natężeniami światła, które wielokrotnie przewyższają natężenie światła otoczenia. Różnice w natężeniu światła mogą być ogromne – dla oświetlacza kopułowego DL9160-660 firmy Ai jasności wynoszą 540 luksów dla pracy ciągłej i prawie 20 tys. luksów dla pracy strobowanej. mgr inż.
Grzegorz Czarny
Przedstawiony artykuł bazuje na doświadczeniach własnych autora związanych z laboratorium systemów wizyjnych Visionlab firmy Elautec i współpracą z firmą Advanced illumination (Ai), dostawcą oświetlaczy do systemów wizyjnych. W artykule wykorzystane zostały również informacje oraz dane udostępnione przez firmę Ai.
