Cómo elegir la iluminación adecuada para aplicaciones de visión artificial

Transcripción

1 Guía Cómo elegir la iluminación adecuada para aplicaciones de visión artificial Por qué la iluminación es importante en aplicaciones de visión artificial? Los sistemas de visión artificial crean imágenes mediante el análisis de la luz reflejada desde un objeto, no a través del análisis del propio objeto. Por lo tanto, es fundamental entender cómo la luz se reflejará de una pieza de producción que se está inspeccionando. Para entender esto, hay que entender el material del cual está hecho el objeto, su tamaño, forma y acabado. El color del objeto también es importante, incluso si el sistema de inspección es monocromático (la pieza roja se reflejará de manera diferente a la de una pieza rosa). Todas estas características afectan cómo es reflejada la luz y pueden plantear desafíos en la creación de una buena imagen. Encontrar la fuente de luz adecuada puede tomar una aplicación aparentemente difícil y simplificarla. El más sofisticado sistema de inspección automatizado en el mundo no puede funcionar sin la iluminación adecuada cita de machinevisiononline.org La iluminación también puede afectar lo fácil que es para el análisis computacional producir una imagen viable. Una buena imagen es el resultado de un enfoque e iluminación apropiados. Las imágenes con un contraste pobre e iluminación desigual, requieren un esfuerzo mucho mayor para el sensor de imágenes, que en última instancia, incrementa el tiempo de procesamiento y puede aumentar el número de análisis de imagen incorrectos. En general, las imágenes de alto contraste son las más fáciles de procesar. Examine la imagen que se muestra arriba (Figura 1). Un buen sistema de procesamiento de imágenes es capaz de reconocer los signos de más en ambas imágenes, sin embargo, la repetitividad de reconocer la imagen de la parte superior será más baja debido al bajo contraste de esta imagen, en comparación con la otra en la parte inferior. Si la iluminación es controlada adecuadamente, las imágenes deben ser manejadas por el sistema de visión artificial con facilidad y con un alto grado de confiabilidad /repetitividad. Figura 1: El alto contraste ayuda al sistema de visión a proporcionar resultados más repetibles. Tipos de iluminación Dado que las imágenes se crean cuando la luz se refleja de un objeto, la luz que incide sobre el objeto y se refleja hacia la cámara, se ve como brillante. Si la luz se refleja fuera de la cámara (o es absorbida por el objeto), el objeto es visto como oscuro. Un sistema de visión artificial normalmente se centra en las diferencias entre las zonas claras y oscuras para hacer conclusiones sobre los bordes, texturas o marcas que son parámetros críticos en la operación de inspección. La longitud de onda de la luz que se utiliza puede ser también una variable importante en el proceso de inspección. Con la iluminación de la luz de un color particular, los colores contrastes serán más fáciles de separar, debido a que van a aparecer más oscuros en la imagen. Esta técnica se puede utilizar para mejorar los códigos de fecha en las tapas para frascos, por ejemplo. La luz infrarroja se puede utilizar para resaltar magulladuras en los productos y la luz ultravioleta causará tinta o pegamento para fosforescencia (tenga en cuenta que los filtros se deben utilizar en la cámara si se está utilizando luz infrarroja o ultravioleta para que la fosforescencia del objeto pueda ser vista pero no la luz en sí).

2 Técnicas de iluminación Seleccionar la técnica de iluminación correcta puede ser un largo camino al lidiar con los problemas específicos de una aplicación particular. Muchas opciones están disponibles y cada una tiene ventajas y desventajas para usos específicos. Hay cinco técnicas básicas para iluminación de piezas a ser inspeccionadas: Iluminación de fondo, iluminación directa, iluminación estructurada y la iluminación difusa dentro o fuera del eje. La iluminación de fondo, crea una silueta para acentuar la forma de una pieza y permitir su medición, pero oculta totalmente todos los detalles de la superficie. Figura 2: La luz infrarroja a través de un filtro resalta las magulladuras en la fruta. La luz colimada, donde los rayos de luz están alineados con el fin de estar siempre en paralelo, es buena para la producción de imágenes nítidas (Figura 3). Se crea la máxima cantidad de contraste mediante la producción de una imagen que es en su mayor parte en negro sobre blanco. En aplicaciones de inspección se puede utilizar esta técnica para realizar medidas dimensionales, pero sería inútil para la inspección de superficies. Un reto en esta técnica es la dificultad de fijación. Cualquier dispositivo mecánico que deba sostener la pieza bajo ensayo podría obstaculizar la luz de fondo. Consideremos el siguiente ejemplo. Lente del condensador Rayos de luz difusa Rayos de luz colimada Figura 4a: Bombilla con iluminación directa desde un anillo de luz. El anillo de luz se refleja en el vidrio. Figura 3: Los rayos de luz colimada crean imágenes más nítidas. La luz difusa, que puede ser producida tomando la luz colimada y hacerla brillante a través de un vidrio esmerilado, da una iluminación más suave, una iluminación más uniforme que evita causar brillos o sombras a costa de la reducción de la intensidad de la luz. Otra consideración cuando se inspeccionan piezas, es la velocidad de movimiento de la pieza al ser fotografiada, así como el tiempo de exposición de la cámara. Estos factores afectarán a la elección de la fuente de luz. Simplificar la aplicación inicia con la definición de los objetivos y centrarse en lo que es importante para la inspección. Una vez que los objetivos se entienden, ya puede uno centrarse entonces en la elección de la fuente de luz que resalta las características o defectos que han sido buscados y anula los elementos no deseados de la imagen. Figura 4b: Bombilla a contraluz. Utilizando una luz de fondo, todo el reflejo se evita y las características internas pueden ser inspeccionadas claramente.

3 La segunda técnica de iluminación es la iluminación frontal directa. Normalmente, la luz se ilumina desde un ángulo ligeramente descentrado. Es fácil de configurar esta fuente de iluminación y se puede crear un contraste excelente, sin embargo, también puede crear sombras y producir reflejos dependiendo de la superficie de la pieza que se está inspeccionando. La creación de sombras puede ser deseable, para mejorar el contraste en donde las imágenes de bajo contraste son un problema. Y, la iluminación directa se puede utilizar para congelar el movimiento con luces estroboscópicas (flashes). Para ver un ejemplo del efecto de mover la fuente de luz, considere las siguientes imágenes. Otra técnica de iluminación es la iluminación estructurada. Dicha técnica hace uso de un patrón de luz conocido, (por lo general un plano de luz creando una línea) que se utiliza para obtener información de las dimensiones. Normalmente se utilizan fuentes de luz altamente colimadas, como el láser o luces de línea de fibra óptica. Esta técnica es una forma barata para medir la profundidad y la altura de las superficies continuas y se utiliza a menudo cuando ya sea que la fuente de luz o la superficie se mueven. También puede mostrar detalles de la superficie de las piezas de bajo contraste. Uno debe asegurarse de que la pieza que se está midiendo no absorba la luz, sin embargo, la reflexión se requiere para el efecto de la iluminación en la pieza a medir. El efecto de una fuente de luz lineal siendo reflejada fuera de las superficies perfectamente planas y no continuas, se muestra en las figuras 4a y 4b. Figura 5a: Una esponja iluminada por luz directa con un alto ángulo de incidencia. Figura 6a: Una luz en línea, reflejándose de una superficie completamente plana aparecerá perfectamente recta. Figura 5b: Al cambiar la posición de la fuente de luz, el reflejo se reduce y la textura de la superficie de la esponja está expuesta para su inspección. Si las sombras deben ser minimizadas, más de una luz directa puede ser utilizada. Para este fin, algunos sistemas utilizan un anillo de luz, el cual rodea totalmente la parte que se está viendo. Figura 6b: Si la superficie no es perfectamente plana, el reflejo producido por la luz que rebota de la superficie no será perfectamente recto. En este caso, hay una depresión en la superficie.

4 La iluminación difusa en el eje, también conocido como DOAL, permite a la luz brillar directamente en una pieza en línea con la cámara, sin que la fuente de luz entre en el camino de la cámara. Esto se logra usando un espejo 50% plateado para reflejar la luz directamente en la pieza. La cámara ve a través del espejo para capturar la imagen de la pieza que se está iluminado. Espejo semi-plateado La última técnica de iluminación que se explica aquí es iluminación difusa fuera de eje, también conocida como la iluminación de día nublado o la iluminación luz de bóveda. Con esta técnica, la luz no se refleja directamente sobre la pieza, sino primero sobre una superficie difusa y luego es rebotada sobre la pieza. La técnica de difusión fuera de eje niega las sombras como si uno estuviera buscando algo en un día nublado. También se evita la creación de puntos calientes o el brillo que pueden causar problemas en aplicaciones de inspección de piezas. Cuando se utiliza una luz de bóveda, donde la cámara dispara a través de un agujero en la cúpula del reflector, no puede haber un punto muerto en el centro de la imagen. Por lo tanto, cuando se utiliza un reflector, puede ser ventajoso añadir una fuente DOAL para llenar el punto muerto. Para aplicaciones con restricciones de espacio, las luces de bóveda planas están disponibles para colocarse entre la cámara y la pieza y producen resultados similares a las luces curvas. Las aplicaciones de iluminación difusa en el eje incluyen la detección de fallas en superficies brillantes, superficies planas o inspecciones del interior de las cavidades pequeñas. Dado que las luces DOAL pierden intensidad a través del espejo plateado, puede ser aconsejable usar una fuente de iluminación adicional para mejorar la iluminación o la consistencia de la luz sobre el tema. Las figuras 5a y 5b muestran cómo utilizando DOAL se puede eliminar el brillo reflejado, por lo que es más fácil de inspeccionar características de las superficies en algunas aplicaciones. Figura 8a: Una lata de bebida iluminada por luz directa, en este caso un anillo de luz, refleja la mirada de la cámara. Figura 8b: La misma lata iluminada por luz difusa fuera de eje proporciona una imagen clara de las marcas superficiales. Figura 7a: Un conector visto en ambiente de luz directa viniendo de un lado. Figura 7b: El mismo conector visto con iluminación difusa en el eje (DOAL).

5 Siempre encendida o estroboscópica La iluminación en aplicaciones de visión artificial es o siempre-encendida o estroboscópica. Con una luz estroboscópica se puede obtener una mayor intensidad y la fuente de luz puede durar más tiempo. Es más útil la capacidad para detener el movimiento. Pero, las luces estroboscópicas necesitan ser controladas. La sincronización del tiempo debe ser coordinado con precisión con la adquisición de la imagen o las imágenes pueden variar en intensidad. También hay que considerar el factor humano cuando se utiliza iluminación estroboscópica. Las luces intermitentes (flashazos) pueden causar convulsiones o dolores de cabeza cuando es vista por algunas personas. En el diseño de sistemas de visión artificial, es importante tener en cuenta el efecto de la luz ambiental en la zona donde el sistema se va a instalar. La luz utilizada para iluminar la pieza necesita estar lo suficientemente brillante como para abrumar a cualquier luz ambiental que incide sobre ella para que se consiga el efecto deseado de la iluminación especial del sistema de inspección. La luz ambiental puede causar brillo adicional sobre las piezas. También puede cambiar dependiendo del lugar donde el operador puede estar de pie, la hora del día, el clima y las estaciones del año. Todas estas cuestiones deben tenerse en cuenta cuando se selecciona la fuente de luz del sistema de inspección y el diseño del acomodo físico del sistema. Fuentes de iluminación Un tipo de fuente de luz son las luces halógenas. Estas luces son aptas para aplicaciones donde la iluminación muy brillante es necesaria muchos de los nuevos faros de automóviles son halógenos pero están limitadas en el hecho de que no pueden ser estroboscópicas, que tienden a calentarse y perder intensidad con el tiempo. Si este tipo de luz es para ser utilizada en una aplicación de inspección, sería beneficioso ponerla a funcionar en un 80% de su máxima potencia para prolongar su vida, manteniendo constante el voltaje para evitar cambios de color y el uso de la fibra óptica para permitir el montaje de la lámpara de forma remota, esto en el caso de que la aplicación sea sensible al calor que produce el halógeno. Figura 9a: Imagen tomada de una pieza móvil utilizando iluminación de luz estroboscópica. Figura 9b: Imagen tomada de una pieza móvil con iluminación continua. Las luces incandescentes son otra posible fuente. Estas bombillas son de bajo costo y fácilmente disponibles, pero no pueden ser estroboscópicas ya que generan calor y pierden ligeramente intensidad con el tiempo. Las fuentes de iluminación fluorescentes son relativamente baratas. Están disponibles en muchas formas y tamaños y proporcionan una luz difusa, lo que minimiza el brillo. Los factores limitantes aquí son que no pueden ser estroboscópicas que se degradan con el tiempo, y es difícil de atenuarlas. Las luces fluorescentes también parpadean debido a la frecuencia de la fuente de alimentación de CA (corriente alterna) la cual puede afectar la calidad de la imagen de las aplicaciones de inspección visual. Usar balastros de alta frecuencia puede ayudar a reducir la cantidad de parpadeo, pero no puede eliminarlo por completo. Los láseres son fuentes de luz altamente colimada que tienen alta intensidad, lo que les permite ser montados a una distancia del objeto que está siendo inspeccionado. Un tipo especial de láser, llamado láser de diodo, puede ser estroboscópico. Los láseres se utilizan a menudo para hacer mediciones de distancia, a veces en tres dimensiones, pero no pueden ser capaces de alcanzar altas precisiones. Son tradicionalmente muy caros y requieren medidas especiales de seguridad, ya que presentan riesgos potenciales de seguridad. La fibra óptica puede ofrecer una opción más segura para proporcionar luz colimada si la aplicación lo requiere.

6 Muchos sistemas estroboscópicos más antiguos emplean luces de xenón. El xenón es ideal para efecto estroboscópico, ya que es capaz de dar muy alta intensidad durante un corto período de tiempo, creando así la impresión de movimiento parado. Pero la intensidad de un flash de xenón disminuye con el tiempo y rara vez se utiliza hoy en día. Una mejor alternativa es usar diodos emisores de luz (LEDs). Estas fuentes son las más comunes en la actualidad para aplicaciones de visión artificial. Duran mucho tiempo, más de 10,000 horas, y pueden ser estroboscópicas o dejarlas encendidas de manera continua y sin problemas de calor. Los LEDs son también muy seguros de usar, son eficientes y usted puede abastecerse en prácticamente cualquier color o longitud de onda específica. Mientras que los primeros LEDs tenían intensidad limitada, los LEDs modernos pueden ser muy brillantes (considere cuántos vehículos nuevos los están usando para la iluminación exterior). La siguiente tabla compara las diferentes alternativas de fuentes de luz en cuanto a su idoneidad para diferentes aplicaciones. Cómo iluminan Tipo Estroboscópica Costo Intensidad Vida Calor Halógena pobre razonable buena pobre pobre Incandescente pobre razonable razonable pobre pobre Fluorescente pobre razonable pobre razonable razonable Láser buena bajo buena buena buena Xenón buena bajo buena pobre pobre LED buena razonable buena buena buena Iluminación integrada Los usuarios de visión artificial tienen la opción de adquirir un sistema que incluye la iluminación integrada. La iluminación integrada simplifica la configuración para resaltar piezas o características particulares sin tener que adquirir, instalar y sin utilizar potencia adicional de iluminación. Algunos sistemas de visión con iluminación integrada proporcionan el beneficio adicional del uso de software para controlar la intensidad y el efecto estroboscópico de la luz sin la necesidad de un equipo adicional. Puesto que no hay necesidad de iluminación externa y potencia de visión, los sistemas con iluminación integrada son más fáciles de instalar y utilizar en espacios difíciles de alcanzar en la línea de producción. También pueden ser más rentables. Resumen Hay muchas opciones disponibles de iluminación y muchas maneras para construir y orientar el sistema de visión. La elección de la iluminación adecuada puede hacer una diferencia significativa en la productividad. Lo primero que se debe hacer en la planificación de un nuevo sistema de inspección automatizada es entender la pieza que va a ser inspeccionada, lo que se necesita aprender al inspeccionarla, su acabado superficial, el color, etc. También es fundamental entender el medio ambiente de la producción. Posteriormente, revisar los pros y los contras de las distintas fuentes de luz. Después de seleccionar la iluminación adecuada, la siguiente decisión es posicionar la fuente de luz para la máxima eficacia. La combinación de la fuente de iluminación y la forma en que se coloca de acuerdo a la pieza y a la cámara, pueden negar o acentuar características según sean apropiadas para asegurar que imágenes buenas y consistentes sean producidas para satisfacer los requerimientos de inspección de la aplicación. Un especialista en visión artificial puede ayudar a determinar la mejor iluminación y opciones de posición de luz para su aplicación. Las compañías de todo el mundo confían en los sistemas de visión e identificación de Cognex para optimizar la calidad, bajar los costos y controlar la trazabilidad. Sede central One Vision Drive Natick, MA USA Tel: Fax: Américas Estados Unidos, Este Estados Unidos, Oeste Estados Unidos, Sur Estados Unidos, Detroit Estados Unidos, Chicago Canadá México América Central Sud-América Brasil Europa Austria Bélgica Francia Alemania Hungría Irlanda Italia Países Bajos Polonia España Suecia Suiza Turquía Reino Unido Asia China India Japón Corea Singapur Taiwan Copyright 2013, Cognex Corporation. Toda la información en este documento está sujeta a cambios sin previo aviso. Todos los derechos reservados. In-Sight, VisionView, EasyBuilder, PatMax, Cognex, Cognex.com y el logotipo de Cognex son marcas registradas y Cognex Connect y OCRMax son marcas registradas de Cognex Corporation. Todas las marcas registradas son propiedad de sus respectivos propietarios. Lit. No. IS7DS-1304