System wizyjny z wykorzystaniem szybkich kamer

Najlepszym, najbardziej wydajnym systemem wizyjnym, jaki zna każdy z nas, jest ludzki mózg. To on nieustannie identyfikuje, przetwarza i interpretuje to, co widzi. Dla nas nie jest to trudne, praktycznie nie wkładamy w to żadnego wysiłku. Z kolei skonstruowanie takiego systemu wizyjnego w wersji komputerowej jest niezwykle trudne. Nie wszystko, co ludzkie, da się od ręki przełożyć na układ maszynowy. Choć da się wykonać system wizyjny, nie będzie on ta uniwersalny, jak ludzki mózg. Sprawdź, czego potrzeba, aby zapewnić wysoką stabilność działania takiego systemu i na co zwrócić szczególną uwagę podczas konstruowania systemu wizyjnego.

Czym jest system wizyjny?

System wizyjny to specjalny mechanizm, który przetwarza obrazy, interpretuje je, identyfikuje. System ten działa niczym ludzki mózg. Jeśli zostanie odpowiednio skonstruowany, będzie kluczowym elementem linii produkcyjnej. System wizyjny może stanąć na wysokości zadania w każdej branży. Idealnie nadaje się w przedsiębiorstwach zajmujących się produkcją elementów metalowych, jak i produkcją żywności. Może dokonywać analizy wymiarowej czy też sprawdzać obecność potrzebnych elementów. W dzisiejszych czasach systemy wizyjne są bardzo popularne, a ich wykorzystanie jest bardziej kwestią wdrożenia, aniżeli tworzenia ich od zera.

Z czego składa się system wizyjny?

Systemy wizyjne w przemyśle i nie tylko składają się przede wszystkim z solidnych kamer z obiektywem. Choć często są one oceniane osobno, akurat w tym przypadku należy je omawiać razem. Dlaczego? Stanowią bowiem integralną całość, podobnie jak ludzkie oko. Kamera, a dokładniej jej wnętrze, czyli sensor światłoczuły odpowiada plamce żółtej, z kolei obiektyw jest odpowiednikiem rogówki.

Zadaniem sensora światłoczułego jest przekształcenie padającego obrazu na sygnał elektryczny, który jest proporcjonalny do natężenia światła. Większość dostępnych na rynku systemów wizyjnych wyposażonych jest w kamery monochromatyczne, czyli rejestrujące jedynie w czerni, bieli oraz wielu odcieniach szarości. Gwarantują one znacznie lepszą ostrość obrazu oraz rozdzielczość w porównaniu z kamerami kolorowymi. Z drugiej strony, kamery kolorowe sprawdzą się tam, gdzie istotna jest głównie analiza koloru.

Trzy typy kamer, jakie wykorzystuje się w systemach wizyjnych

Wśród nich możemy wyróżnić:

• kamery liniowe — charakteryzują się matrycą w kształcie cienkiej linii. Jej szerokość to zaledwie kilka pikseli. Akwizycja obrazu w tym przypadku przebiega linia po linii. Dopiero po ich złożeniu ukazuje się cały obraz obiektu. Liniowe kamery to doskonałe rozwiązanie w sytuacjach, kiedy obiekt się porusza. Kamera tego rodzaju wykorzystywana jest najczęściej na podajnikach taśmowych. Pozwalają na uzyskanie większej rozdzielczości inspekcji oraz większej prędkości.
• kamery obrazowe — w tym przypadku mamy do czynienia z matrycą w kształcie prostokąta. Jeden bok może mieć nawet kilka tysięcy pikseli. Takie kamery służą do rejestracji obrazów 2D w czasie jednego cyklu ekspozycji. Są użyteczne w systemach wizyjnych, gdzie w jednej chwili obiekt musi być poddany interpretacji, jak i obserwacji.
• kamery 3D – nowoczesne urządzenia wykorzystują technikę Time-of-Flight. Wysyłają w kierunku obiektu specjalnie modulowaną wiązkę światła podczerwonego. Kamery te badają czas, jaki jest potrzebny wiązce do pokonania odległości na trasie kamera-obiekt-kamera. W ten sposób powstaje chmura punktów i to one tworzą scenę, jaka znajduje się przed obiektywem kamery.

Kilka podstawowych rodzajów obiektywów

Bardzo ważnym elementem systemu wizyjnego jest obiektyw. Komponent ten pełni dwie istotne funkcje. Przede wszystkim skupia promienie światła z powierzchni obiektywu na płaszczyźnie matrycy. Z drugiej strony ogranicza ilość światła padającego na matrycę. Współcześnie obiektywy są naprawdę skomplikowanymi konstrukcjami. Często ceną dorównują samej kamerze. Najtrudniejsze obecnie jest wykonanie na tyle dużych soczewek, aby oddawały obraz w wysokiej dokładności.

Wiele zależy od prowadzenia promieni, a także funkcji, jakie oferują obiektywy. Można je jednak podzielić na kilka podstawowych typów:

• obiektywy stałoogniskowe — jest to rozwiązanie najpopularniejsze, bardzo często wykorzystywane w systemach wizyjnych. Obiektywy w tym przypadku cieszą się stałą ogniskową. Nie oferują zmiany pola widzenia. Jedynym sposobem na uzyskanie odmiennego obrazu jest zmiana dystansu roboczego. Obiektywy tego rodzaju wyposażone zostały w dwa pierścienie regulacyjne. Pierwszy steruje przysłoną, drugi służy do nastawiania ostrości. Zazwyczaj systemy wizyjne są konstruowane tak, by nie było potrzeb zmiany dystansu roboczego, dlatego obiektywy stałoogniskowe spisują się rewelacyjnie. Są też dobrym kompromisem między ceną a funkcją.
• obiektywy zmiennoogniskowe — tutaj zasada działania jest bardzo podobna jak w przypadku poprzedniego typu obiektywów. Dodatkiem jest funkcja zmiany ogniskowej, a dokładniej rzecz ujmując — modyfikacji pola widzenia kamery. Tego rodzaju obiektywy są stosowane bardzo często. Przydają się w robotyce. Dobrze byłoby postawić na taki obiektyw, który jest wyposażony w elektroniczne sterowanie. Obiektywy tego rodzaju świetnie nadają się podczas testowania rozmaitych rozwiązań podczas konstrukcji systemu wizyjnego.
• optyka 360 – ten typ obiektywów zwany jest inaczej perycentrycznymi. Ta wyjątkowa konstrukcja pozwala na obserwację powierzchni frontowej, przy jednoczesnym obserwowaniu powierzchni bocznej budynku. Bywają i takie modele, które umożliwiają przeprowadzenie inspekcji wnętrza gwintu czy nakrętki butelki przy użyciu tylko jednej kamery obrazowej. Są też rozwiązania, dzięki którym możliwy jest podgląd całej etykiety umieszczonej na szyjce butelki.
• Obiektywy telecentryczne — cechą charakterystyczną tego typu obiektywów jest prowadzenie promieni równolegle do osi optycznej. Nie ma tutaj błędu perspektywy, dzięki czemu obiektywy te używane są niezwykle często do bardzo precyzyjnej analizy wymiarowej. Świetnie współpracują z kamerami liniowymi, jak i obrazowymi. W tym przypadku pole widzenia jest równe średnicy soczewki obiektywu. Są to stosunkowo drogie rozwiązania.

Rodzaje oświetlaczy stosowanych w systemach wizyjnych

Systemy wizyjne, poza obiektywami i kamerami wymagają użycia specjalistycznych oświetlaczy. W tym przypadku wymienić można kilka najpopularniejszych, które są stosowane najczęściej:

• oświetlacze frontowe — występują w kształcie prostokąta, jednak ich proporcje są rozmaite. Mogą to być bardzo cienkie prostokąty, jak i kwadraty. Świetnie sprawdzają się w przypadku frontowego oświetlania obiektów. Oświetlenie musi padać z tej samej strony, w której nagrywa kamera. Tego rodzaju oświetlacze wyposażone są w diody LED. Pozwalają one na skupianie światła na większych dystansach.
• oświetlacze pierścieniowe — diody LED ułożone zostały tak, by tworzyć plan pierścienia. Montowane są zwykle na kamerze. Niekiedy też montuje się je obok, tak by kamera patrzyła przez oko pierścienia. Służą one do frontowego oświetlania obiektu, gdyż gwarantują odpowiednie światło bez ściśle wskazanego kierunku.
• oświetlacze tylne — przypominają frontowe, ale posiadają matowy, rozpraszający światło dyfuzor. Gwarantują wysoką jednorodność generowanego światła. Umieszczane za obiektem, przez co emitują światło płynące w kierunku kamery.
• oświetlacze bezcieniowe — doskonale pracują przy oświetlaniu powierzchni wysokorefleksyjnych. Ten typ oświetlaczy gwarantuje równomierne, podkreślające cechy obiektu, gładkie światło. Mogą mieć kształt kopuły bądź tunelu ze specjalnym otworem na kamerę.
• oświetlacze liniowe — są dedykowane w systemach liniowych, które wykorzystują wyłącznie kamery liniowe. Cechują się podłużną, jasną, skupioną wiązką światła, która niezwykle precyzyjnie oświetla część obserwowanego obiektu. W tym przypadku mamy wąski pasek diod LED. Zwykle połączony jest z walcową soczewką, dzięki czemu światło może zostać skupione niezależnie od odległości roboczych.
• oświetlacze współosiowe — kształtem przypominają prostokąt wyposażony w diody LED oraz płytkę światłodzielącą. Pozwala ona na nakładanie się kamery i źródła światła. W ten sposób można uwidocznić nierówności na płaskich powierzchniach. Są idealne do systemów wizyjnych, jeśli służą one do obserwowania połyskliwych przedmiotów.
• oświetlacze hiperspektralne/multispektralne — cechują się emisją minimum kilku różnych długości fal światła, mogą przyjmować różne kształty, które zostały wymienione powyżej. Stosowane zwykle z kamerami hiperspektralnymi.
• oświetlacze punktowe — bardzo małe, składają się z jednej bądź zaledwie kilku diod. Idealnie sprawdzają się tam, gdzie potrzeba oświetlić zaledwie niewielką powierzchnię.
• źródła światła — emitują światło o pewnej określonej charakterystyce, można je prowadzić przy pomocy światłowodu do miejsca inspekcji. Wykorzystuje się ja w oświetlaczach nieposiadających elektroniki czy w mikroskopach.

Działanie systemów wizyjnych w rzeczywistości

Nie da się ukryć, że systemy wizyjne w produkcji mają szerokie zastosowanie. Bardzo często przydają się w przetwarzaniu bądź w wyrobie nowych produktów z plastiku. Współcześnie praktycznie każdy zakład produkcji posługuje się systemami automatycznej inspekcji. Świetnie sprawdzają się kamery liniowe, które umożliwiają wydajną oraz niezwykle szczegółową kontrolę folii w zakładach zajmujących się jej wyrabianiem. Inne materiały, które powstają dzięki inspekcji to np. płatki PET i wszystkie bardzo drobne elementy w tworzywa sztucznego, takie jak preformy, ampułki, butelki czy pojemniki.

Systemy wizyjne w przemyśle żywnościowym również odgrywają niebanalną rolę. Zastanawiasz się, jaką? Chodzi tutaj głównie o kontrolę wizyjną, której poddawane są jedzenie, ale też opakowania na żywność. W ten sposób można ocenić świeżość owoców, warzyw, mięsa, a także dokonywać detekcji zanieczyszczeń w materiale wsadowym dostarczanym do produkcji. Jeśli chodzi o kontrolę opakowań, mówimy tutaj o kontroli nadruku etykiety, kontroli jakości zgrzewu czy sprawdzeniu gwintu w butelkach. Jak więc widać, systemy wizyjne są niezwykle potrzebne w dzisiejszym życiu!