ROZDZIELCZOŚĆ, ODLEGŁOŚĆ I GŁĘBIA OSTROŚCI

Rozdzielczość obiektywu związana jest ze zdolnością systemu rozróżniania szczegółów obiektu. Istnieją różne możliwości wyrażenia rozdzielczości w zależności od rodzaju obiektów, dla których parametr ten jest wyznaczany (punkty, linie). W wyznaczaniu rozdzielczości wyrażanej w parach linii na mm jest m.in. stosowany tzw. test USAF 1951 (rys. 9). Wykorzystywana jest w nim plansza, na której umieszczono paski odpowiadające różnej rozdzielczości. Linie zostały ułożone w grupy po sześć elementów, którymi są trzy poziome i trzy pionowe paski o takich samych wymiarach.

Odstęp pomiędzy paskami jest równy ich szerokości. Stosunek długości do szerokości dla każdej linii wynosi 5:1. Grupy mają numery: –6, –2, 0, 1, 2, 3, natomiast elementy są ponumerowane od 1 do 6. Rozdzielczość danego układu optycznego określa się, obserwując za jego pomocą test i odnotowując numer przypisany elementom, które dany układ pozwala jeszcze rozróżnić. Numer grupy i numer elementu umożliwiają odczytanie rozdzielczości w tablicach dołączonych do testu i opisać rozdzielczość obiektywu w konkretnej liczbie par linii na milimetr.

Rys. 9. Test USAF 1951

Odległość robocza jest to odległość od obiektywu do badanego obiektu i jest ona ograniczona dla każdego obiektywu minimalną odległością, dla której pozwala on uzyskać ostry obraz. Czasem fizyczne ograniczenia otoczenia systemu wizyjnego mogą stać się przyczyną trudności w doborze i skonfigurowaniu elementów optycznych.

Im dłuższa jest wymagana odległość robocza, tym trudniejsze staje się uzyskanie małego pola widzenia. Osiągnięcie pożądanego pola widzenia jest wówczas związane z większymi kosztami realizacji oraz zazwyczaj powoduje zmniejszenie rozdzielczości. W efekcie końcowym ograniczenia przestrzenne mogą wpłynąć na jakość uzyskiwanych obrazów.

Jeżeli obiektem inspekcji systemu wizyjnego mają być elementy trójwymiarowe, należy wziąć pod uwagę parametr zwany głębią ostrości. Określa on zdolność obiektywu do odwzorowania obiektu z wymaganą ostrością w przypadku przemieszczania obiektu w kierunku do i od obiektywu.

Duża głębia ostrości obiektywu może zniwelować ograniczenia przestrzenne otoczenia i uprościć instalację systemu. Należy przy tym pamiętać, że o ile obiektyw jest w stanie zachować wymaganą rozdzielczość w całym zakresie głębi ostrości, o tyle problemem może być zachowanie powiększenia. W systemach wizyjnych jest to szczególnie problematyczne. Rozwiązaniem może być stosowanie obiektywów telecentrycznych.

Na przykładzie dwóch identycznych obiektów (rys. a) – śrub o różnych długościach – można wyjaśnić powody powstawania zjawisk, których da się uniknąć stosując obiektywy telecentryczne. Rysunek b przedstawia obraz śrub uzyskany przy użyciu standardowego obiektywu o stałej ogniskowej 8mm. Efekt paralaksy sprawia, że obiekty robią wrażenie pochylonych. Utrudnia to analizę obrazu, a kontur nie ma w takim wypadku wymaganego okrągłego kształtu. Może to skutkować niesłusznym uznaniem tych obiektów za wadliwe. Brak stałego powiększenia w zależności od odległości obiektu do obiektywu jest przyczyną różnicy w zmierzonej średnicy łbów obu śrub (rys. c). W rzeczywistości pod tym względem śruby są identyczne. Długość śrub, która wpływa na ich odległość od obiektywu, sprawia, że łby sprawiają wrażenie za dużych lub zbyt małych w odniesieniu do narzuconych rozmiarów. W takim wypadku system analizujący wymiary śrub może odrzucić poprawnie wykonane obiekty. Obraz śrub uzyskany z wykorzystaniem obiektywu telecentrycznego przedstawiono na rys. d. W tym przypadku nie występuje żaden z dwóch uciążliwych efektów opisywanych wyżej. Obie śruby zostaną przez system zakwalifikowane jako pełnowartościowy produkt.

OBIEKTYWY TELECENTRYCZNE

Standardowe obiektywy odwzorowują obiekty z powiększeniem zależnym od odległości. Obiekty bliższe są powiększane w większym stopniu niż elementy oddalone od obiektywu. Efekt ten nie występuje w obiektywach telecentrycznych, które często znajdować mogą zastosowanie w systemach wizyjnych stosowanych np. w aplikacjach pomiarowych. Obiektyw telecentryczny można wyobrazić sobie jako obiektyw z nieskończenie długą ogniskową, a powiększenie uzyskiwane za jego pomocą pozostaje stałe, bez względu na odległość od obiektu.

Stałe powiększenie to szczególnie ważna właściwość wykorzystywana w wymiarowaniu obiektów trójwymiarowych. Różnica w obrazie uzyskanym w systemie ze zwykłym obiektywem i obiektywem telecentrycznym jest wyraźna (patrz przykłady w ramce). W systemach wizyjnych wdrażanych w kontroli wymiarów obraz obiektu jest porównywany z zadanymi parametrami, odpowiadającymi konkretnemu powiększeniu. Aplikacje tego typu bezwzględnie wymagają, aby powiększenie nie zmieniało się przy zmianie pozycji obiektu. W przeciwnym wypadku przy każdej zmianie pozycji obiektu wynik byłby inny.

Można wyodrębnić kilka przypadków, w których wykorzystanie obiektywu tego typu jest zalecane. Obiektyw telecentryczny powinien być użyty w sytuacji, gdy obiekt badany ma znaczną grubość. W przypadku, gdy planowane są pomiary obiektu w różnych płaszczyznach oraz gdy nie jest znana odległość obiektu od obiektywu, także warto zastosować obiektyw telecentryczny. Przykładem obiektów, do inspekcji których z pewnością lepiej wykorzystać ten rodzaj obiektywów, są wszelkiego rodzaju otwory. Obiektywy telecentryczne są także powszechnie stosowane w systemach kontroli wizyjnej w produkcji układów scalonych.

Bogusław Krasuski Marketing Manager Omron Electronics Jak ocenia Pan rozwój rynku systemów wizyjnych w Polsce?Jaka będzie ich ewolucja w przyszłości? Według naszych obserwacji rynek systemów wizyjnych w Polsce rozwijał się w ostatnich latach w tempie około 30-40% rocznie. Pomimo przyszłego spowolnienia inwestycji spodziewamy się, że pozostanie on jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się obszarów automatyki przemysłowej. Oferowane na rynku systemy wizyjne rozwijać się będą w przyszłości w dwóch głównych kierunkach. W przypadku systemów do aplikacji standardowych rozwiązania wymagające niejednokrotnie skomplikowanego procesu ustawiana i dobierania odpowiedniego oświetlenia zastępowane będą systemami przyjaznymi dla użytkownika, prostymi w ustawianiu i użytkowaniu. Z kolei dla aplikacji niestandardowych, wymagających specyficznych algorytmów pomiaru i kontroli, nastąpi rozwój urządzeń specjalizowanych do konkretnych zastosowań – coraz powszechniej używane będą np. urządzenia z wbudowanymi przez producenta odpowiednimi algorytmami i procedurami. Które urządzenia podlegają największym zmianom? Z czym to jest związane? Coraz powszechniejsze stosowanie systemów wizyjnych wymusza na producentach tworzenie systemów prostych, często zintegrowanych z inteligentnym źródłem światła i przypominających w obsłudze raczej zwykły czujnik niż skomplikowany system. Również w przyszłości prawdopodobnie największe zmiany obserwowane będą w zakresie upraszczania obsługi. Która branża jest największym odbiorcą urządzeń do systemów wizyjnych? Z oczywistych względów największymi odbiorcami systemów wizyjnych są obecnie branże wymagające bardzo dokładnej obróbki detali – np. przemysł samochodowy i precyzyjny, oraz sektory wymagające dużego rygoru kontroli jakości, takie jak farmaceutyczny i spożywczy. Ze względu na fakt, że systemy wizyjne stają się coraz bardziej popularne, a ich cena jest już na poziomie standardowych rozwiązań, wykorzystywane są one obecnie niemal we wszystkich gałęziach przemysłu.

WPŁYW OTOCZENIA NA ELEMENTY OPTYKI

Projektując system wizyjny, należy rozważyć również wpływ czynników związanych ze środowiskiem jego pracy, takich jak refl eksyjność obiektu, oświetlenie, temperatura, wibracje i zanieczyszczenia. Wpływ zewnętrznego oświetlenia ograniczają specjalnie dobrane osłony obiektywów. Refl eksy powstające na odblaskowych obiektach niwelowane są przez dobór odpowiedniego oświetlenia, np. rozproszonego lub przy wykorzystaniu układów z filtrami polaryzacyjnymi (patrz ramka).

Temperatura oraz wibracje generowane przez maszyny mogą w dużym stopniu wpłynąć na jakość obrazu uzyskiwanego w systemie wizyjnym zainstalowanym w środowisku przemysłowym. Wysoka temperatura otoczenia wywołać może rozszerzanie się elementów optyki, poza tym nie wszystkie układy optyczne tolerują duże i szybkie zmiany temperatury otoczenia.

Do inspekcji obiektów o bardzo dużych temperaturach najlepiej jest więc korzystać z obiektywów o dużej ogniskowej, zapewniających dużą odległością roboczą. Natomiast wibracje układu optycznego w systemie wizyjnym można zredukować, instalując obiektyw bezpośrednio na izolującej platformie lub stole.

Innym zagrożeniem dla elementów optycznych są zanieczyszczenia występujące w danym środowisku. Do pracy w trudnych warunkach są przeznaczone elementy wytrzymujące długotrwałą pracę w otoczeniu szkodliwych substancji. Elementy optyczne tego typu są odporne na kontakt z płynami, ścieranie i korozję. Są zabezpieczone przed przenikaniem pyłów i charakteryzuje je wytrzymałość na uszkodzenia mechaniczne.

System wizyjny sortuje kwiaty Wraz z rozwojem omawianych systemów techniki inspekcji wizyjnej wkraczają w dziedziny dotychczas niekojarzone z tymi rozwiązaniami. O ile np. w kontroli produkcji artykułów spożywczych wykorzystanie kamer nie jest dziś już żadną nowością, o tyle automatyczne sortowanie kwiatów jest aplikacją nieco nietypową. Dotychczas segregacja w tym przypadku była zawsze przeprowadzana ręcznie. Kilka lat temu trzy francuskie firmy – Sterkelec, Avi i Mecafl or – rozpoczęły wspólnie pracę nad stworzeniem nowej generacji urządzeń do automatycznego sortowania kwiatów. Ręczny proces ich sortowania nie należy do łatwych, głównie ze względu na delikatną naturę obiektów. Ponadto jest to zajęcie sezonowe i wymaga pewnych dodatkowych inwestycji. Stąd pomysł zautomatyzowania tego procesu spotkał się z aprobatą dostawców kwiatów. W rezultacie powstał system dający możliwość rozróżniania kolorów, gdzie wykorzystano czujnik wizyjny DVT535C, jak też wyposażono go w możliwość detekcji uszkodzeń kwiatów. System wizyjny sortuje kwiaty Obecnie zapewnia on wydajność sortowania na poziomie 40 tys. kwiatów na godzinę. Kwiaty dzielone są na 7 kategorii w zależności od ich jakości. Jednym z usprawnień, które w algorytmie wprowadzili z czasem jego twórcy, było uniezależnienie systemu od różnic w kolorze łodyg poszczególnych kwiatów. Dodano też możliwość pomiaru średnicy łodygi, pomiaru różnic w rozmiarach liści i kwiatów, a także detekcji kwiatów zwiędłych. Opisywany przykład dowodzi, że implementacja systemu wizyjnego w ogromnym stopniu zależy od zadań przed nim stawianych i obiektu podlegającego inspekcji.

CZĘŚĆ III: KAMERY W SYSTEMACH WIZYJNYCH

Trzecią grupą elementów składowych systemów wizyjnych są kamery. W tego typu aplikacjach stosuje się podziały na kamery obrazowe (areascan) i linijkowe (linescan), urządzenia analogowe, cyfrowe i inteligentne (smart camera), a także kamery monochromatyczne i kolorowe. Ich dobór do aplikacji jest jedną z istotniejszych kwestii przy tworzeniu systemu wizyjnego. Decyzja o tym, jaką kamerę zastosować w konkretnej aplikacji wymaga przeanalizowania wad i zalet poszczególnych ich typów, co uczynione zostało w drugiej części artykułu, która opublikowana będzie w lutowym wydaniu APA.

Monika Jaworowska