Что такое машинное зрение?

Машинное зрение использует машины для замены человеческого глаза при измерении и оценке. Система машинного зрения использует продукты машинного зрения (например, устройства захвата изображений, доступные с КМОП- и ПЗС-матрицами) для преобразования захваченных объектов в сигналы изображения. Эти сигналы затем передаются в специализированную систему обработки изображений, которая преобразует их в цифровые сигналы на основе распределения пикселей, яркости, цвета и другой информации. Затем система обработки изображений выполняет различные операции с этими сигналами для извлечения характеристик объекта и, основываясь на полученной информации, управляет работой оборудования на объекте.

Компоненты системы технического зрения:

1. Источник освещения

2. Линза

3. Промышленная камера

4. Карта захвата/обработки изображений

5. Система обработки изображений

6. Другие внешние устройства

I. Камеры

Промышленные камеры, также известные как видеокамеры, обеспечивают превосходную стабильность изображения, высокую скорость передачи данных и высокую помехоустойчивость по сравнению с традиционными потребительскими камерами. В настоящее время большинство промышленных камер на рынке основаны на ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник).

Из всех датчиков изображения ПЗС-матрица является наиболее распространённым датчиком в системах машинного зрения. Она объединяет в себе фотоэлектрическое преобразование, накопление заряда, перенос заряда и считывание сигнала, что делает её типичным твердотельным устройством формирования изображения.

Отличительной особенностью ПЗС-матрицы является то, что она использует заряд в качестве сигнала, в отличие от других устройств, использующих ток или напряжение. Этот тип устройств формирования изображения формирует зарядовые пакеты посредством фотоэлектрического преобразования, которые затем переносятся и усиливаются управляющим импульсом для вывода сигнала изображения.

Типичная ПЗС-камера состоит из оптической линзы, генератора сигналов синхронизации и синхронизации, вертикального драйвера и схем аналогово-цифровой обработки сигналов. Как функциональное устройство ПЗС-матрица имеет преимущества перед электронными лампами, такие как отсутствие выгорания, отсутствие задержек, работа при низком напряжении и низкое энергопотребление.

Разработка датчиков изображения CMOS впервые появилась в начале 1970-х годов. С развитием технологии производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) в начале 1990-х годов, КМОП-датчики изображения стали быстро расти.

КМОП-датчики изображения объединяют в себе матрицу фоточувствительных элементов, усилитель сигнала изображения, схему считывания сигнала, схему аналого-цифрового преобразования, процессор сигнала изображения и контроллер на одном кристалле. Они также обладают преимуществом программируемого произвольного доступа к локальным пикселям. В настоящее время КМОП-датчики изображения широко используются в приложениях с высоким разрешением и высокой скоростью благодаря превосходной интеграции, низкому энергопотреблению, высокой скорости передачи данных и широкому динамическому диапазону.

Классификация:

У всего есть свои стандарты классификации, и промышленные камеры не являются исключением.

По типу кристалла их можно разделить на ПЗС-камеры и КМОП-камеры;

По структурным характеристикам сенсора их можно разделить на камеры со строчной разверткой и камеры со сканирующей областью;

По методу сканирования их можно разделить на камеры с чересстрочной разверткой и камеры с прогрессивной разверткой;

По разрешению их можно разделить на камеры стандартного разрешения и камеры высокого разрешения;

По способу получения выходного сигнала их можно разделить на аналоговые и цифровые;

По цвету выходного сигнала их можно разделить на монохромные (черно-белые) и цветные;

По скорости выходного сигнала их можно разделить на стандартные камеры контроля скорости и высокоскоростные камеры;

В зависимости от диапазона частот чувствительности их можно разделить на камеры видимого света (стандартные), инфракрасные камеры и ультрафиолетовые камеры.

Различия:

1. Стабильная и надёжная работа, простота установки. Конструкция камеры компактна и прочна, устойчива к повреждениям, обеспечивает длительное время непрерывной работы и подходит для использования в суровых условиях. Обычные цифровые камеры не могут похвастаться такими характеристиками. Например, потребительская цифровая камера, безусловно, будет испытывать трудности при работе 24 часа в сутки или несколько дней подряд.

2. Его выдержка очень короткая, что позволяет снимать динамичные сцены. Например, если прикрепить визитку к лопастям электрического вентилятора, вращающегося на максимальной скорости, установить подходящую выдержку и сделать снимок промышленной камерой, вы всё равно сможете чётко разглядеть шрифт на визитке. Добиться такого же эффекта с помощью обычной камеры невозможно.

3. В датчиках изображения используется прогрессивная развёртка, в то время как в обычных камерах используется чересстрочная. Процесс производства датчиков изображения с прогрессивной развёрткой сложен, что приводит к низкому выходу продукции и небольшим объёмам поставок. Лишь немногие компании в мире, такие как Dalsa и Sony, могут предложить такую ​​продукцию, и она стоит дорого.

4. Частота кадров значительно выше, чем у обычных камер. Промышленные камеры могут снимать от десяти до нескольких сотен кадров в секунду, в то время как обычные камеры — всего два-три кадра в секунду, что является существенной разницей.

5. На выходе получаются необработанные данные, часто с более широким спектральным диапазоном, что делает их пригодными для высококачественных алгоритмов обработки изображений, например, используемых в системах машинного зрения. Изображения, полученные обычными камерами, имеют спектральный диапазон, подходящий только для человеческого зрения, и сжимаются с помощью MJPEG, что приводит к низкому качеству изображения и усложняет анализ и обработку.

6. Они дороже стандартных камер (DSC).

Как выбрать:

1. Выберите ПЗС- или КМОП-камеру в зависимости от области применения. Промышленные ПЗС-камеры в основном используются для извлечения изображений движущихся объектов, например, в системах машинного зрения для монтажных установок. Однако с развитием технологии КМОП многие монтажные установки также используют промышленные КМОП-камеры. Промышленные ПЗС-камеры обычно используются в системах автоматизированного визуального контроля или в промышленности. Промышленные КМОП-камеры становятся всё более популярными благодаря своей низкой стоимости и низкому энергопотреблению.

2. При выборе разрешения в первую очередь учитывайте точность объекта наблюдения или измерения. Выберите разрешение, исходя из этой точности. Точность камеры в пикселях = поле зрения в одном направлении / разрешение камеры в одном направлении. Следовательно, разрешение камеры в одном направлении = поле зрения в одном направлении / теоретическая точность. Если поле зрения составляет 5 мм, а теоретическая точность составляет 0,02 мм, то разрешение камеры в одном направлении = 5 / 0,02 = 250. Однако для повышения стабильности системы один пиксель не используется для соответствия одному значению точности измерения/наблюдения. Обычно выбирается увеличение 4 или выше. Следовательно, для камеры требуется разрешение 1000 по одной оси, поэтому 1,3 миллиона пикселей будет достаточно.

Далее рассмотрим выходной сигнал промышленной камеры. Для стереоскопического наблюдения или анализа и распознавания с помощью программного обеспечения для машин высокое разрешение полезно. При использовании выхода VGA или USB наблюдение на мониторе зависит от его разрешения. Даже промышленная камера с высоким разрешением бесполезна, если разрешение монитора недостаточно. Высокое разрешение также полезно для использования карт памяти или фотосъёмки.

3. Подбор объектива: размер сенсорного чипа должен быть меньше или равен размеру объектива, а крепление C или CS также должно быть совместимым (или можно добавить адаптер).

4. Выбор частоты кадров камеры: При съёмке движущихся объектов выбирайте промышленную камеру с высокой частотой кадров. Однако, как правило, чем выше разрешение, тем ниже частота кадров.

II. Объектив

Базовые знания:

1. Подбор объектива

Как выбрать правильный объектив? При выборе объектива необходимо выбрать тот, который соответствует интерфейсу камеры и размеру ПЗС-матрицы. Наиболее распространены объективы с креплениями C и CS. Компактные камеры с креплением CS для систем безопасности набирают популярность, в то время как в индустрии камерной фотосъемки в основном используются камеры с креплением C и комбинации объективов. Соответствующие размеры ПЗС-матриц, представленные на рынке, обычно варьируются от 2/3 до 1/3 дюйма, в зависимости от области применения.

2. Взаимозаменяемость

Объективы с креплением C-mount можно использовать взаимозаменяемо с камерами как с креплением C-mount, так и с креплением CS-mount. Объективы с креплением CS-mount нельзя использовать с камерами с креплением C-mount, только с камерами с креплением CS-mount.

3. Виньетирование

Когда камера использует объектив с небольшой ПЗС-матрицей, окружающие области, не попавшие на изображение, выглядят черными. Это явление известно как «кераре».

4. Функция линзы:

Конструкция линз включает в себя шлифовку различных материалов с разными показателями преломления для создания высокоточных изогнутых поверхностей и их комбинирование. В основе лежит метод, известный со времён Галилея. Для достижения ещё более чётких изображений исследуются и разрабатываются новые материалы и асферические линзы.

3. Источники света

Светодиодные источники света, галогенные лампы (оптоволоконные источники света) и высокочастотные люминесцентные лампы. Светодиодные источники света в настоящее время являются наиболее распространенными и обладают следующими ключевыми характеристиками:

Они могут быть изготовлены в различных формах, размерах и с различными углами освещения;

При необходимости их можно изготавливать в различных цветах, а яркость можно регулировать в любое время;

Устройство отвода тепла обеспечивает улучшенный отвод тепла и более стабильную яркость;

Имеют длительный срок службы;

Они быстро реагируют, достигая максимальной яркости за 10 микросекунд или меньше;

Блок питания оснащен внешним триггером, что позволяет управлять им с помощью компьютера, обеспечивает быстрый запуск и может использоваться в качестве стробоскопа;

Светодиоды обеспечивают низкие эксплуатационные расходы и длительный срок службы, давая существенные преимущества с точки зрения общей стоимости и производительности;

Индивидуальные проекты могут быть адаптированы к нуждам заказчика.

Светодиодные источники света обычно можно классифицировать по форме:

1. Кольцевые источники света: Кольцевые источники света предлагают различные углы освещения и цветовые комбинации, улучшая трехмерные детали объектов. Они также оснащены светодиодными матрицами высокой плотности для высокой яркости, разнообразными компактными конструкциями и экономящими место установками. Они также решают проблемы диагонального затенения. Дополнительные рассеиватели обеспечивают равномерное распределение света. Области применения включают в себя инспекцию подложек печатных плат, инспекцию компонентов ИС, подсветку микроскопа, калибровку ЖК-дисплеев, инспекцию пластиковых контейнеров и инспекцию печати интегральных схем. 2. Подсветка использует светодиодную матрицу высокой плотности для обеспечения высокоинтенсивной подсветки, выделяющей контуры и особенности объекта, что делает ее особенно подходящей для использования в качестве предметного столика микроскопа. Двойная красная и белая подсветка, а также многоцелевая красная и синяя подсветка могут быть настроены для получения разных цветов в соответствии с многоцветными требованиями различных тестовых объектов. Области применения включают в себя: измерение размеров механических деталей, внешний осмотр электронных компонентов и ИС, обнаружение пятен на пленке и обнаружение царапин на прозрачных объектах.

3. Источник света типа «линия»: Источники света типа «линия» являются предпочтительным источником освещения для крупных квадратных конструкций. Цвета можно свободно комбинировать и подбирать в соответствии с конкретными требованиями, а угол освещения и крепление регулируются. Области применения: контроль металлических поверхностей, сканирование изображений, обнаружение поверхностных трещин и контроль ЖК-панелей.

4. Коаксиальный источник света: Коаксиальные источники света устраняют тени, вызванные неровностями поверхности, тем самым уменьшая помехи. Некоторые из них используют светоделитель для минимизации потерь света, повышения чёткости изображения и обеспечения равномерного освещения поверхности. Области применения: Эта серия источников света идеально подходит для проверки царапин на сильно отражающих поверхностях, таких как металл, стекло, плёнка и пластины; обнаружения поломок кристаллов и кремниевых пластин; определения местоположения меток; и распознавания штрихкодов на упаковках.

5. Источник света, разработанный специально для AOI: трёхцветное освещение под разными углами подчёркивает трёхмерную информацию о припое. Рассеиватель направляет свет, уменьшая отражения. Доступны различные комбинации углов. Применение: используется для контроля качества припоя на печатных платах.

6. Сферический интегрирующий источник света: Внутренняя поверхность полусферической сферы с интегрирующим эффектом равномерно отражает свет, излучаемый снизу, на 360 градусов, обеспечивая равномерное освещение по всему изображению. Применение: Подходит для осмотра изогнутых, неровных и криволинейных поверхностей, а также металлических и стеклянных поверхностей с высокой отражающей способностью.

7. Линейный источник света: сверхвысокая яркость, фокусировка света цилиндрической линзой, что делает его пригодным для непрерывного контроля на различных сборочных линиях. Применение: предназначен для подсветки матричных камер и оптического контроля. 8. Мощный светодиодный точечный источник света, компактный размер и высокая интенсивность света. Является альтернативой оптоволоконным галогенным лампам, особенно подходит для использования в качестве коаксиального источника света для линз. Эффективное рассеивание тепла значительно продлевает срок службы источника света. Применение: подходит для использования с телецентрическими объективами, для контроля кристаллов, определения местоположения меток, а также для совмещения пластин и стеклянных подложек ЖК-дисплеев.

9. Комбинированный источник света: четырёхстороннее распределение света с независимым управлением подсветкой. Требуемый угол освещения можно регулировать в соответствии с исследуемым объектом, что обеспечивает широкий спектр применения. Области применения включают в себя контроль подложек плат, контроль компонентов микросхем, контроль пайки, локализацию меток, подсветку микроскопа, подсветку штрихкодов упаковок и подсветку сферических объектов.

10. Источник света для выравнивания: быстрое выравнивание, широкое поле зрения, высокая точность, компактный размер для удобства осмотра и интеграции, высокая яркость и возможность использования дополнительного кольцевого источника света. Применение: Источник света серии VA специально разработан для выравнивания в полностью автоматических принтерах для печати печатных плат. 4. Выбор источника света

1. Предварительная информация

(1) Содержание проверки: внешний осмотр, оптическое распознавание символов (OCR), измерение размеров, позиционирование

(2) Объект

Что вы хотите увидеть? (Посторонние предметы, царапины, дефекты, следы, формы и т. д.)

Состояние поверхности (зеркало, шероховатая поверхность, изогнутая поверхность, плоская поверхность)

Трёхмерная? Плоская поверхность?

Материал, цвет поверхности

Поле зрения?

Динамичный или статический (выдержка камеры)

(3) Ограничения

Рабочее расстояние (расстояние от нижней части объектива до поверхности измеряемого объекта)

Условия настройки (размер освещения, расстояние от нижней части освещения до поверхности измеряемого объекта, отражающая или пропускающая)

Окружающая среда (температура, внешний рассеянный свет)

Тип камеры: площадная решетка или линейная решетка

2. Простые предварительные знания:

(1) Из-за различий в материалах и их толщине характеристики пропускания света (прозрачность) различаются. (2) Способность света проникать через материалы (коэффициент пропускания) варьируется в зависимости от длины его волны. (3) Чем длиннее длина волны света, тем сильнее он проникает в материал. Чем короче длина волны света, тем выше скорость его диффузии на поверхности материала. (4) Проходящее освещение — это метод пропускания света через объект и наблюдения проходящего света.

3. Источник света:

Стабильный и равномерный источник света чрезвычайно важен.

Цель: максимально четко выделить исследуемый объект на фоне.

При съемке изображения самое важное — четко получить: разницу в светах и ​​тенях между исследуемым объектом и фоном.

В настоящее время наиболее распространённым техническим методом в области обработки изображений является бинаризация (преобразование в чёрно-белую гамму). Для выделения характерных точек и характерных изображений обычно используются методы освещения, включающие светлое и тёмное поле.

Светлое поле: используйте прямой свет для наблюдения за всем объектом (рассеянный свет кажется черным)

Темное поле: используйте рассеянный свет для наблюдения за всем объектом (прямой свет кажется белым). Конкретный метод выбора источника света по-прежнему зависит от практического опыта в эксперименте.