Wtorek, 13 stycznia 2009

Systemy wizyjne część I - podstawy, oświetlenie i obiektywy

Kontrola wizyjna jest niezbędnym elementem wielu procesów produkcyjnych. Identyfikacja wyrobów, weryfikacja ich położenia czy sprawdzanie poprawności wykonania stanowią etapy montażu, obróbki i wytwarzania różnego typu produktów. Systemy wizyjne służą także do odczytu kodów kreskowych, zliczania komponentów przemieszczanych na linii montażowej oraz wykrywania uszkodzonych lub wybrakowanych podzespołów. W dwuczęściowym artykule omawiamy podstawowe części składowe systemów wizyjnych, zasady, jakimi warto kierować się przy ich doborze oraz przedstawiamy przykłady wdrożeń wykonanych w przemyśle.

Systemy wizyjne część I - podstawy, oświetlenie i obiektywy

MASZYNY KONTRA LUDZIE

Aby dorównać możliwościom człowieka, w systemach wizyjnych wykorzystuje się wysokiej klasy urządzenia, w tym kamery inteligentne oraz specjalistyczne oprogramowanie przetwarzające obraz. Mimo tego, pod pewnymi względami, przewaga człowieka nad automatycznymi systemami kontroli pozostaje ciągle duża.

Dotyczy to zwłaszcza elastyczności działania oraz zdolności do reakcji na zmienne i nieprzewidywalne sytuacje. Wadą automatycznych rozwiązań jest ścisłe realizowanie zaprogramowanego algorytmu. Odnosi się to również do systemów wizyjnych, a negatywne skutki mogą się ujawnić w przypadku błędnego lub nieścisłego algorytmu.

Z drugiej strony w środowisku przemysłowym wydajność człowieka jest jednak znacząco mniejsza. Wpływają na to takie czynniki jak nieuwaga, zmęczenie i znużenie. Automatyczne systemy inspekcji wizyjnej pozwalają uniknąć tych ograniczeń, zapewniając dużą szybkość pracy, większą dokładność i powtarzalność. Wiąże się z tym ograniczenie kosztów, zwiększenie wydajności produkcji oraz eliminacja poważnych usterek gotowych produktów wynikających z błędów na etapie montażu.

WSKAZóWKI PROJEKTOWE

Rys.1. Podstawowe elementy systemu wizyjnego

W zależności od aplikacji system wizyjny powinien spełniać określone wymagania. Różne zadania wymagają implementacji konkretnych funkcji – przykładowo instalacja systemu inspekcji na taśmociągu z gotowymi wyrobami powinna umożliwiać szczegółową obserwację obiektu pod kątem występowania usterek.

Dane pochodzące z systemu wizyjnego decydują w takim wypadku o dalszym losie produktu. Na ich podstawie dany element powinien być zakwalifikowany jako dopuszczony do dalszej obróbki lub jako komponent obarczony defektem, uniemożliwiającym dalsze wykorzystanie.

W zastosowaniach związanym z montażem elementów wymagania są z kolei inne. Najczęściej obejmują możliwość skanowania powierzchni w celu zlokalizowania punktów referencyjnych. Znaczniki te są następnie wykorzystywane w określaniu pozycji i orientacji umieszczanego elementu.

Na podstawie tych przykładów wyraźnie widać, że system wizyjny zaprojektowany do konkretnych zadań niekoniecznie sprawdzi się w innym zastosowaniu. Ponadto należy rozważyć koszty związane z wdrożeniem systemu, integracją z istniejącą infrastrukturą, konserwacją, ewentualnymi modyfikacjami oraz uaktualnianiem oprogramowania.

ELEMENTY SKŁADOWE SYSTEMU WIZYJNEGO

Zasadnicze elementy systemu wizyjnego (rys. 1) obejmują kamerę, oświetlenie i elementy optyczne (obiektyw), urządzenia do akwizycji oraz przetwarzania obrazu, istotnym składnikiem jest też oprogramowanie. Często wraz z systemem stosowane są dodatkowe akcesoria – np. manipulatory pozwalające na obserwację elementu z różnych kierunków.

Niektóre systemy wykorzystują kamery analogowe. Wówczas niezbędne jest urządzenie pośredniczące pomiędzy kamerą i komputerem, czyli tzw. frame grabber. Obecnie coraz powszechniej używane są kamery cyfrowe komunikujące się bezpośrednio z komputerem. W niektórych aplikacjach stosuje się rozwiązanie jeszcze bardziej zaawansowane technicznie, którym są tzw. kamery inteligentne.Stanowią one samodzielny, zintegrowany system wizyjny.

Bez względu na stopień zaawansowania systemu, w każdym przypadku zasadniczą rolę odgrywa odpowiednie oświetlenie i wykorzystanie optyki dobranej stosownie do danej aplikacji. Jakość kontroli obiektów zależy bowiem w dużym stopniu od jakości uzyskanego obrazu. Dlatego poniżej skupiono się właśnie na opisie dwóch wymienionych elementów składowych systemów wizyjnych.

Rys.2. Oświetlacz w postaci pierścienia LED

CZĘŚĆ I: OŚWIETLENIE

Istotne znaczenie dla jakości uzyskanego obrazu ma odpowiedni dobór układu oświetlenia elementu, które decyduje o tym, w jaki sposób obraz zarejestruje kamera. Przy doborze oświetlaczy powinny być brane pod uwagę m.in. geometria obiektu, struktura jego powierzchni oraz charakterystyczne cechy całego systemu.

Układ oświetlenia powinien zapewnić odpowiedni kontrast oraz minimalizować rejestrację artefaktów, które mogą prowadzić do błędnych wniosków w analizie obrazu. Stosowane są rozmaite modele oświetlaczy, m.in. układy w konfiguracji pierścienia (rys. 2) lub prostokątnej matrycy z diod LED.

W przypadku obiektów o wypukłym kształcie i błyszczącej powierzchni zalecane jest wykorzystanie oświetlaczy o kształcie kopuły (rys. 3).

Innym często stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie efektu stroboskopowego. Oświetlenie poruszającego się obiektu światłem migającym pozwala uzyskać wrażenie jego zatrzymania. Trudności związane z realizacją takiego układu mogą być związane z koniecznością zsynchronizowania modulacji światła z ruchem obiektu.

Rys.3. Oświetlacze kopułkowe zapewniają rozproszone oświetlenie obiektu, które ogranicza powstawanie rozbłysków światła

ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

W systemach wizyjnych wykorzystywane są różne światła, przy czym najpopularniejszym obecnie rozwiązaniem jest użycie diod LED. Ich zaletą jest możliwość formowania układów w różnych konfiguracjach, zarówno w trybie pracy ciągłej, jak i w oświetleniu stroboskopowym.

Z drugiej strony problemem może być oświetlenie dużych powierzchni, ponieważ wymaga to matrycy złożonej z dużej liczby diod. Jednokolorowe oświetlenie zapewniane przez diody może być w niektórych aplikacjach zaletą. Z kolei w innych może utrudniać obserwację charakterystycznych cech obiektu.

Inne, równie popularne rozwiązania wykorzystują świetlówki oraz lampy halogenowe. W tym drugim przypadku do transmisji strumienia świetlnego stosuje się światłowody.

Zaletą takiego podejścia jest ograniczenie wpływu emisji ciepła, która jest charakterystyczna dla lamp tego typu. Wykorzystanie światłowodów pozwala budować układy w różnych konfiguracjach oraz ułatwia wymianę źródła światła w razie jego awarii.

Kolejnym często stosowanym źródłem światła są laserowe generatory linii, pomocne przy wymiarowaniu elementów. Oprócz różnorodnych źródeł światła w systemach inspekcji wizyjnej są wykorzystywane różne techniki oświetlania obiektów.

Automatyzacja napełniania zbiorników substancjami toksycznymi

W przypadku pracy z substancjami toksycznymi priorytetem jest zapewnienie bezpieczeństwa. Nie dotyczy to jedynie ograniczenia kontaktu pracowników z niebezpiecznym medium poprzez pełną automatyzację procesu napełniania zbiorników. Równie ważne jest zagwarantowanie, aby dana substancja trafiła do właściwego pojemnika w odpowiedniej ilości.

Przykładem firmy, która od lat zajmuje się dostarczaniem urządzeń do napełniania zbiorników różnego typu, jest niemieckie przedsiębiorstwo Feige Filling.

W 2006 roku firma wprowadziła na rynek nowy, w pełni zautomatyzowany system Robot-Filler, który wyposażony jest w czujnik wizyjny Cognex In-Sight 5401. Czujnik zamontowany jest bezpośrednio na ramieniu robota, oświetlenie zrealizowano przy użyciu pierścienia złożonego z 8 diod LED.

Jedną z głównych funkcji robota jest zlokalizowanie zatyczki zbiornika. Ponieważ zatyczki nie znajdują się w środku pokrywy, ale są rozmieszczone blisko krawędzi, ich pozycję trzeba określać w zależności od ustawienia zbiornika. Bez systemu wizyjnego szybkie i bezpieczne otwieranie, napełnianie i zamykanie zbiornika byłoby niemożliwe.

W aplikacji wykorzystano oprogramowanie wizyjne z funkcją rozpoznawania wzorca. Gdy zatyczka zostaje zlokalizowana, rozpoczyna się proces napełniania zbiornika. W pierwszej kolejności ramię robota podnosi narzędzie wykorzystywane do odkręcenia zatyczki i odkłada ją na specjalną podstawkę. Następnie sięga po kolejne narzędzie i precyzyjnie reguluje zawór napełniający zbiornik.

Bez udziału człowieka robot może sterować napełnianiem pojemnika, co znacznie przyspiesza cały proces. W ten sposób zwiększa się także bezpieczeństwo pracowników, ponieważ obszar, w którym robot pracuje, może zostać odseparowany od innych pomieszczeń.

Po zakończeniu napełniania zbiornika ramię robota podnosi zatyczkę z podstawki i zakręca zbiornik. Wyposażenie robota w czujnik wizyjny sprawia, że na podstawie kodu umieszczonego na zbiorniku może on zidentyfikować każdy kontener. System wizyjny minimalizuje więc też prawdopodobieństwo pomyłki napełnienia zbiornika nieodpowiednią substancją.

Rys.4. Różne techniki oświetlenia

OŚWIETLACZE – KLASYFIKACJA

Ważnym terminem związanym z techniką oświetlania obiektów jest kąt bryłowy. Określa on powierzchnię na sferze, przez którą w omawianym przypadku przenika światło i w centrum której umieszczony jest obiekt.

Na tej podstawie dokonuje się podziału metod oświetleniowych stosowanych w systemach wizyjnych. W zależności od wartości kąta bryłowego oświetlenie dzieli się na punktowe (mały kąt bryłowy) i rozproszone (duży kąt bryłowy).

Oświetlenie punktowe (point-like lighting) jest proste w realizacji, ponieważ oświetlacze mają zazwyczaj niewielkie rozmiary i mogą być zainstalowane w niewielkiej odległości od obiektu. Oświetlaczem tego typu mogą być np. diody LED lub układy wykorzystujące światłowody.

Oświetlenie punktowe charakteryzuje się dużą intensywnością. Sprawdza się w tworzeniu obrazów o ostrych krawędziach i uwydatnianiu wszelkich charakterystycznych cech powierzchni obiektu.

Niewielki rozmiar sprawia, że oświetlacze tego typu są łatwiejsze w montażu niż oświetlenie rozproszone. Z drugiej strony, w przypadku silnie odblaskowych powierzchni punktowe oświetlenie sprzyja powstawania rozbłysków, które mogą oślepić kamerę i uniemożliwić uzyskanie obrazu całego obiektu.

Rys.5. Układ oświetlacza współosiowego

Oświetlenie rozproszone (diffuse lighting) jest z definicji związane z dużym kątem bryłowym wokół obiektu. Przykładem oświetlaczy tego typu są świetlówki czy linijki diod LED.

Stosuje się też elementy rozpraszające przed punktowymi źródłami światła. Zaletą oświetlaczy ze światłem rozproszonym jest umożliwienie obserwacji odblaskowych powierzchni bez rozbłysków światła.

Problemem jest jednak często instalacja tego typu oświetlenia, ponieważ oświetlacz powinien otaczać obiekt. Jest to zazwyczaj związane ze złożoną konstrukcją całego systemu wizyjnego. Wadą oświetlaczy tego rodzaju jest też ryzyko uzyskania obrazów nieostrych.

Filtry polaryzacyjne w systemach wizyjnych

Filtry polaryzacyjne są elementem powszechnie wykorzystywanym w systemach wizyjnych. Ich użycie pozwala uniknąć występowania szeregu negatywnych zjawisk związanych z rozbłyskami światła na powierzchni skanowanych obiektów.

Układ przedstawiony na rysunku można wykorzystać np. podczas detekcji wadliwie zafoliowanych obiektów. Przykładem może być kontrola zniekształceń powłoki, w którą zawijane są baterie paczkowane po kilka sztuk.

Zaprezentowany system wizyjny składa się z podstawowych elementów typowych dla innych rozwiązań tego typu. Jednak oprócz układu oświetlenia i kamery z obiektywem na drodze promieni świetlnych padających i odbitych od ekranu zostały umieszczone dwa filtry polaryzacyjne.

Promień światła oznaczony na rysunku jako "1" po przejściu przez filtr A zostaje odpowiednio spolaryzowany i jako promień "2" odbija się od przezroczystej powłoki pokrywającej skanowany obiekt. Promień odbity "3" ze względu na swoją polaryzację nie dociera do kamery.

Wynika to z innej polaryzacji filtru umieszczonego przed kamerą, którego zadaniem jest blokowanie odblasków od powłoki. Promień, który przenika powłokę po odbiciu od obiektu i przejściu przez filtr B, jako promień "5" dociera do obiektywu kamery.

Rys.6. Oświetlacze z serii Nerlite Dark-Field zawierają rząd diod LED zamontowanych pod kątem 70 lub 90° do osi prostopadłej do powierzchni obiektu

POLE JASNE, POLE CIEMNE

Jednym z pojęć związanych z techniką obserwacji jest tzw. oświetlenie w polu jasnym i polu ciemnym (rys. 4). W pierwszym przypadku światło pada pod pewnym kątem do powierzchni obiektu. Jest to metoda stosowana w większości systemów wizyjnych.

Odmianą tej techniki jest wykorzystanie oświetlenia współosiowego, które wymaga dodatkowo dzielnika wiązki (rys. 5). Promienie świetlne po odbiciu od dzielnika padają na obiekt pod kątem w przybliżeniu równym 90°.

Z kolei tzw. oświetlenie w polu ciemnym polega na bocznym oświetleniu obiektu. Wiązka światła padająca równolegle do powierzchni obiektu jest wykorzystywana np. do obserwacji wszelkich zanieczyszczeń, zarysowań i innych niedoskonałości elementu. Praktyczną realizacją oświetlenia tego typu jest ustawienie pierścienia diod LED pod bardzo małym kątem do powierzchni obiektu (rys. 6).

Trzecim sposobem jest podświetlanie obserwowanych obiektów (rys. 7). Jest wykorzystywane w dwóch przypadkach – do prześwietlania przeźroczystych i półprzeźroczystych obiektów oraz do kontroli konturów obiektów nieprzeźroczystych.

Rys.7. Podświetlanie obiektu

Przykładem zastosowania tej techniki jest produkcja szkła. Oświetlenie pozwala na obserwację zarówno uszkodzeń zewnętrznych, takich jak rysy i wyżłobienia, jak również defektów wewnątrz struktury, takich jak pęcherzyki powietrza i zanieczyszczenia.

Najczęściej jednak technika podświetlenia stosowana jest w obserwacji konturów nieprzeźroczystych obiektów. Obraz tego typu jest relatywnie prosty w przetwarzaniu, ponieważ jest zazwyczaj binarny i dwuwymiarowy. Innym zastosowaniem jest oświetlanie elementów w podajniku, mające na celu określenie ich orientacji przed podniesieniem przez ramię robota.

Rys. 8. Podstawowe parametry obiektywu, które należy brać pod uwagę przy jego wyborze

CZĘŚĆ II: OBIEKTYWY

Poprawna praca systemu wizyjnego zależy od działania części optycznej, gdyż obiektyw odwzorowuje podświetlone elementy obiektu. W wielu aplikacjach – np. w systemach kontroli poprawności ułożenia oraz w wymiarowaniu elementów, układ ten powinien odwzorowywać obiekt w stałej geometrii.

Jest to konieczne, aby można było precyzyjnie zmierzyć lub zlokalizować dany element. Układ oświetlenia oraz obiektyw powinny zatem współpracować tak, aby kns ten jest kluczowy przy planowaniu rozmieszczenia elementów systemu.

Wybierając obiektyw przeznaczony dla systemu wizyjnego, należy rozważyć kilka kwestii i pamiętać, że błędów w doborze obiektywu nie skoryguje nawet najbardziej złożone oprogramowanie. Parametry obiektywów (patrz rys. 8), w tym pole widzenia (field of view), rozdzielczość i głębia ostrości (depth of field) są warte przeanalizowania pod kątem wymagań danej aplikacji.

Należy rozważyć też właściwości elementów będących obiektem inspekcji oraz obszar obserwacji. Dyskusji wymaga też parametr zwany odległością roboczą (working distance), czyli odległość od obiektywu do obiektu. W systemach wizyjnych dystans ten jest kluczowy przy planowaniu rozmieszczenia elementów systemu.

Wojciech Roczon

Inżynier wsparcia technicznego i marketingu Balluff

Do głównych czynników mających wpływ na rozwójrozwiązań opartych na systemach wizyjnych należą coraz wyższe wymagania dotyczące jakości produktów oraz ograniczenia stosowania standardowych metod opartych na czujnikach i przetwornikach. Ma to przede wszystkim wpływ na branże poddostawców dla motoryzacji, jak i samych producentów samochodów, gdzie wymagania co do jakości i eliminacji błędów są coraz większe.

Częstą przeszkodą w wykorzystaniu systemów wizyjnych jest ich cena, dlatego aktualne zainteresowanie dostawców skupia się na wykorzystaniu kompaktowych elementów wizyjnych – np. czujników wizyjnych. Liczba dostępnych na rynku rozwiązań tego rodzaju rośnie, zwiększają się też możliwości ich wykorzystania. Ceny czujników wizyjnych w coraz większym stopniu zbliżają się do cen zaawansowanych czujników optycznych, co powoduje, że stają się one dobrą alternatywą, szczególnie ze względu na możliwość sprawdzania kilku cech produktu jednocześnie i brak konieczności dokładnego pozycjonowania elementów kontrolowanych.

NAJWAŻNIEJSZE PARAMETRY PRZY WYBORZE OBIEKTYWU

Projektując system wizyjny, inżynierowie często za najważniejszy parametr uważają uzyskiwane powiększenie. Należy jednak pamiętać, że powiększenie systemu zależy od różnych czynników, w tym od rozmiaru przetwornika obrazu oraz wyświetlacza. Na przykład powiększenie 50× może być uzyskane w systemie o polu widzenia 5,3mm z kamerą z przetwornikiem obrazu 1/2’’ i monitorem 13’’.

W systemie z polem widzenia 15,2mm, przetwornikiem 1’’ i monitorem 19’’ powiększenie będzie identyczne. Oba systemy w równym stopniu powiększają badany obiekt, różniąc się znacząco pod względem szczegółowych właściwości. Powiększenie w systemach wizyjnych nie jest więc najistotniejszym parametrem. O jakości uzyskiwanego obrazu oraz możliwości uwydatnienia istotnych cech obiektu decydują przede wszystkim takie parametry, jak pole widzenia i rozdzielczość.

Pole widzenia to obszar, który obiektyw powinien odwzorowywać na światłoczułym elemencie kamery. Zazwyczaj jest on opisywany w postaci długości przekątnej lub szerokości obszaru. Typowo stosunek szerokości pola widzenia do jego długości wynosi 4:3 i zależy m.in. od wymiarów pola obrazowego kamery. Dlatego rozmiar przetwornika obrazu w kamerze jest istotny przy wyborze obiektywu o wymaganej wartości ogniskowej. Znając wymaganą szerokość pola widzenia i odległość od obiektu, można dobrać obiektyw o odpowiedniej ogniskowej w zależności od wymiarów przetwornika.

Systemy wizyjne w kontroli jakości zamknięcia butelek

Jednym z najczęściej spotykanych zastosowań systemów wizyjnych w przemyśle jest kontrola poprawności położenia komponentów. Przykładem jest ich użycie na linii butelkowania wody lub napojów. Zadaniem systemu jest detekcja wszelkich uchybień w jakości produkowanych artykułów. Dotyczy to m.in. dokładności zamknięcia butelki czy poprawności naklejenia etykiety. Innym przykładem jest zliczanie butelek lub puszek i kontrola ich liczby w poszczególnych opakowaniach.

Polecane

Nowe produkty