Najważniejsze parametry obiektywów

KOMPONENTY LINII WIZYJNEJ INSPEKCJI I STEROWANIA

System wizyjny to tylko jeden z kilku komponentów kompletnej linii, czy to sterowania robotem przemysłowym, czy kontroli jakości. Poza sekcją złożoną z kamery, obiektywu, oświetlenia oraz oprogramowania do przetwarzania obrazów, która odpowiada za: rejestrację obrazu obiektu inspekcji, jego obróbkę w celu uzyskania potrzebnych danych oraz opracowanie informacji zwrotnej, która na przykład w przypadku systemu kontroli jakości stwierdza, czy obiekt spełnia stawiane mu wymagania, wyróżnia się jeszcze trzy sekcje. Ich zadaniem jest współpraca z system wizyjnym w celu automatyzacji zadania inspekcji.

Jedną z nich jest system transportu, dzięki któremu obiekty poddawane kontroli znajdują się w polu widzenia kamery. Realizuje się to, wykorzystując do ich przenoszenia przenośniki albo mechanizm, który przemieszcza kamerę nad nimi.

Częściami zautomatyzowanej linii kontroli jakości są też: czujniki, których zadaniem jest określenie położenia obiektu inspekcji oraz mechanizm do usuwania wybrakowanych egzemplarzy. Ten drugi jest sterowany w zależności od informacji zwrotnej z systemu wizyjnego. Dalej szerzej opisujemy najważniejsze komponenty tego ostatniego.

Algorytmy przetwarzania obrazów

Dopasowanie wzorca

Ta metoda identyfikacji polega na porównywaniu obrazu obiektu ze wzorcem. Pozwala odszukać w obrazie obiektu jego punkty charakterystyczne, jak otwory, które wykorzystywane będą w dalszych pomiarach. Proces testowania jest dwufazowy.

W pierwszym etapie, tzw. fazie uczenia się, przetwarzany jest wzorzec, na przykład wyznaczane są jego krawędzie, co ma na celu określenie jego cech, które wykorzystane zostaną podczas drugiego etapu, czyli porównywania z obrazami obiektów badanych.

Faza uczenia jest dość skomplikowana, a obliczenia zająć mogą kilka sekund przy dużych lub złożonych obiektach. Przeprowadza się ją jednorazowo dla każdego wzorca, a dane zapisuje i wykorzystuje wielokrotnie. Wybór odpowiedniego wzorca ma bardzo duży wpływ na prędkość oraz dokładność analizy i warto tutaj kierować się kilkoma zasadami.

Wzorzec powinien być asymetryczny, żeby możliwe było zidentyfikowanie go w określonym położeniu. Przykładowo okrągły otwór nie będzie ze sobą niósł informacji o tym, czy obiekt nie został obrócony. Istotny jest również sam charakter wzorca. Jeżeli jako wzorzec zostanie wybrany skomplikowany element, jego odnalezienie w obrazie obiektu zajmie więcej czasu.

Jeżeli natomiast wzorzec będzie zbyt prosty - w efekcie może dojść do zafałszowania wyników porównywania. Jeżeli za wzorzec przyjęto prosty element, należy pamiętać, że powinien on mieć odpowiednio duży rozmiar. Jeżeli jest to zwykły otwór, to jako wzorzec warto wybrać fragment obrazu obejmujący wystarczająco duży fragment otoczenia otworu. Informacje o otoczeniu pozwolą odróżnić konkretny obiekt od podobnych elementów.

Detekcja krawędzi

Jest to proces identyfikacji i lokalizacji konturów w obrazie obiektu. Krawędzie określić można na podstawie dużej wartości zmiany jasności pikseli. Klasyczne metody detekcji polegają na ustaleniu progu tej zmiany dla sąsiadujących ze sobą pikseli. Jeśli próg jest za niski, wtedy nawet niewielka zmiana jasności w obrazie zostanie zidentyfikowana jako krawędź. Z kolei za wysoki próg będzie utrudniał detekcję niewielkich zmian jasności, które mogą odpowiadać niewielkim otworom.

W związku z tym istnieje ogromna liczba stosowanych wartości progowych wykorzystywanych filtrów, które odpowiadają rozmaitym typom krawędzi. Wybór algorytmu detekcji krawędzi zależy w dużym stopniu od samej aplikacji. Można przykładowo zdefiniować go dla momentu pierwszego przekroczenia wartości progowej lub przy kolejnej zmianie jasności obrazu. Dotyczy to też sposobów detekcji orientacji krawędzi. Filtry optymalizowane są pod kątem wyszukiwania krawędzi w poziomie, pionie i po przekątnej.

PRZEGLĄD TECHNIK OŚWIETLENIA

Sposób oświetlenia obiektu inspekcji ma duży wpływ na jakość obrazów rejestrowanych przez kamerę. Dobierając je, należy w związku z tym uwzględnić szereg czynników, przede wszystkim właściwości obiektu, takie jak jego geometria i struktura powierzchni, oraz specyficzne cechy całego systemu. Oświetlenie musi zapewnić odpowiedni kontrast i nie powinno powodować efektów, takich jak na przykład odbicia, które utrudniają analizę obrazu.

Stosowane są różne modele oświetlaczy, na przykład w formie pierścienia lub prostokątnej matrycy z diod LED. Obiekty wypukłe i błyszczące najlepiej oświetlać pod kopułą. Wykorzystuje się też efekt stroboskopowy. Oświetlając w ten sposób obiekt w ruchu, uzyskuje się wrażenie jego zatrzymania.

Oświetlenie w systemach wizyjnych można również podzielić na punktowe i rozproszone. Pierwsze ma zwykle niewielkie rozmiary, można je zainstalować blisko obiektu, charakteryzuje je duża intensywność, a obrazy obiektów przez nie oświetlanych mają ostre krawędzie i uwydatniają wszelkie charakterystyczne cechy ich powierzchni. Niestety, w przypadku silnie odblaskowych powierzchni punktowe oświetlenie sprzyja powstawaniu rozbłysków, które mogą oślepić kamerę.

Oświetlacze rozproszone z kolei pozwalają na obserwację odblaskowych powierzchni bez rozbłysków światła. Niestety, czasem mogą powodować powstawanie obrazów nieostrych.

Jeżeli światło pada pod pewnym kątem do powierzchni obiektu, mamy oświetlenie z tzw. polem jasnym. W przypadku oświetlenia współosiowego z kolei promienie świetlne po odbiciu od dzielnika padają na obiekt pod kątem w przybliżeniu równym 90°. Oświetlenie w polu ciemnym polega na bocznym oświetleniu obiektu. Do prześwietlania przezroczystych i półprzezroczystych obiektów oraz do kontroli konturów obiektów nieprzezroczystych wykorzystuje się natomiast podświetlanie.

Rozwiązywanie problemów, cz. 2

Czasem, chociaż jakość obrazów w porównaniu z tymi, które zostały zarejestrowane tuż po uruchomieniu systemy wizyjnego nie uległa widocznemu pogorszeniu, nie działa on zgodnie z oczekiwaniami. W takim wypadku prawdopodobnym źródłem problemu jest część systemu, która jest odpowiedzialna za przetwarzanie zarejestrowanych obrazów.

Przyczyną może być problem sprzętowy. Jeżeli natomiast chodzi o oprogramowanie, to przeważnie nie przestaje ono raptownie działać prawidłowo, chyba że zostały w nim wprowadzone jakieś zmiany. Jeśli zatem w ostatnim czasie zostało ono zaktualizowane lub zmodyfikowano jego wcześniejsze ustawienia, by sprawdzić, czy to jest powodem dysfunkcji, warto na próbę przywrócić wcześniejszą wersję oprogramowania.

Jeśli to nie pomoże, zyskujemy pewność, że problem ma charakter sprzętowy, chyba że zostały zmienione kryteria, przy których system wizyjny uznaje wyrób za pełnowartościowy. Jeżeli na przykład tolerancję wykonania jakiegoś jego wymiaru zwiększono o kilka procent, można oczekiwać, że liczba wyrobów uznanych za prawidłowe może znacznie wzrosnąć.

NAJWAŻNIEJSZE PARAMETRY OBIEKTYWÓW

Najważniejsze parametry obiektywów to pole widzenia, rozdzielczość, głębia ostrości i odległość robocza. Pierwszy to obszar, który obiektyw powinien odwzorowywać na światłoczułym elemencie kamery. Zwykle opisuje go długość przekątnej lub szerokość obszaru. Typowo stosunek szerokości pola widzenia do jego długości wynosi 4:3 i zależy 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 oraz odległość od obiektu, można dobrać obiektyw o odpowiedniej ogniskowej w zależności od wymiarów przetwornika.

Rozdzielczość obiektywu charakteryzuje zdolność systemu do rozróżniania szczegółów obiektu. Odległość robocza jest to odległość dzieląca obiektyw od badanego obiektu. Jest ona dla każdego obiektywu ograniczona minimalną odległością, dla której można uzyskać ostry obraz. Im dłuższa jest wymagana odległość robocza, tym trudniej uzyskać małe pole widzenia. Osiągnięcie tego pożądanego jest wówczas związane z większymi kosztami realizacji i zazwyczaj powoduje zmniejszenie rozdzielczości.

Głębia ostrości jest ważna w przypadku obiektów trójwymiarowych. Określa ona zdolność obiektywu do odwzorowania obiektu z wymaganą ostrością w przypadku jego przemieszczania się w kierunku do i od obiektywu. Duża głębia ostrości obiektywu upraszcza instalację systemu.

O ile obiektyw jest w stanie zachować wymaganą rozdzielczość w całym zakresie głębi ostrości, o tyle problemem może być zachowanie powiększenia. Rozwiązaniem są obiektywy telecentryczne odwzorowujące obiekty z powiększeniem niezależnym od odległości. Na koniec warto dodać, że błędów w doborze obiektywu nie skoryguje nawet najbardziej złożone oprogramowanie systemu wizyjnego.

Kamera zastępuje mikrometr

Pomiary wymiarów są nieodzownym etapem produkcji w zakładach pewnej niemieckiej firmy, która specjalizuje się w produkcji wytłaczanych metalowych elementów konstrukcyjnych na potrzeby takich branż, jak elektroniczna (m.in. obudowy dysków twardych, telefonów komórkowych) i samochodowa (m.in. elementy karoserii). Ich celem jest sprawdzenie, czy wyroby wykonano z dopuszczalną tolerancją. W trakcie kolejnych etapów obróbki, na przykład w czasie wycinania otworów lub wygładzającego oszlifowywania krawędzi, nie można bowiem uniknąć pewnej ich deformacji.

Tradycyjnie pomiary wykonuje się przy użyciu kontaktowych, ręcznych przyrządów pomiarowych. Przykładem jest mikrometr. Pracownik, który go używa, na podstawie wyników pomiaru podejmuje decyzję o tym, czy zwymiarowany wyrób spełnia wymagania, czy nie.

Wraz ze wzrostem oczekiwań odbiorców w kwestii jakości wykonania, wymiarów i wykończenia powierzchni, a równocześnie dlatego, że dla utrzymania rentowności producenci muszą zwiększać wydajność produkcji, pomiary manualne przestają się opłacać. W opisywanym zakładzie obecnie dziennie produkowanych jest 300 tys. sztuk wyrobów.

Łatwo sobie wyobrazić, jak wielu ludzi, którzy na dodatek musieliby pracować na zmiany całą dobę, jest potrzebnych do skontrolowania jakości w tempie zgodnym z taką wydajnością produkcji. Ponadto wiele czynników wpływa na wiarygodność ich oceny (zmęczenie, brak uwagi).

Dlatego opisywana firma zdecydowała się zastąpić inspekcję manualną systemem wizyjnym z kamerą linijkową, którą zamontowano nad przenośnikiem transportującym wytłoczone elementy, dodatkowo zintegrowanym z robotem przemysłowym. Zadaniem tego pierwszego jest pomiar kluczowych wymiarów wyrobu.

Jeżeli wymiary któregoś z nich nie spełniają założonych kryteriów, informacja o tym jest przesyłana do sterownika robota, który zdejmuje wadliwy wyrób z przenośnika. W ciągu godziny przetwarzanych jest ponad 2 tysiące obrazów. Automatyczna inspekcja zapewnia nie tylko większą dokładność i powtarzalność, ale jednocześnie nie jest przyczyną przestojów w produkcji.