Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Strojové vidění IV: Osvětlovače

Otto Havle
 
Osvětlovací soustava je stejně důležitou částí systému strojového vidění jako kamera a inspekční software. S jistou nadsázkou lze říci, že strojové vidění není nic víc než komputerizované měření světla. Účelem osvětlení ve strojovém vidění je dosáhnout maximálního kontrastu těch částí objektu, které nás zajímají (zájmové části), oproti částem, které nejsou předmětem inspekce (rušivé části). Zároveň je třeba minimalizovat vliv změn v okolí na reprezentaci objektu jasovým obrazem na snímači obrazu, aby inspekční program vykazoval opakovatelné výsledky.
 
Obecně platí, že kontrast zájmové a rušivé části objektu lze vytvářet v zásadě dvojím způsobem: využitím jejich rozdílné absorpce (emise) nebo rozdílu jejich jasu, který vznikne vhodným směrovým osvětlením. V obou případech začíná návrh optimální osvětlovací soustavy analýzou interakce objektu a světla. Na základě výsledků této analýzy je možné stanovit, jak a čím objekt osvětlit a jak eliminovat případné rušivé vlivy. Celý postup lze shrnout do těchto pěti bodů:
  • analýza vlastností snímaného objektu vzhledem k úloze strojového vidění,
  • analýza potřebných vlastností použitého světla,
  • stanovení vhodné geometrie osvětlení,
  • výběr vhodného osvětlovače,
  • eliminace rušivých vlivů.

1. Analýza vlastností snímaného objektu

Analýza vlastností snímaného objektu vzhledem k úloze strojového vidění se zaměřuje především na tyto vlastnosti objektu:
  • velikost absorpce nebo odrazivosti světla v zájmových místech objektu, která určuje kontrasty a lesky (souvisí rovněž s barvou objektu),
  • struktura povrchu v zájmových místech objektu, kterou je někdy nutné zvýraznit, jindy potlačit,
  • členitost objektu (výstupky, otvory atd.), vyžadující různé způsoby vytvoření či potlačení kontrastu v obraze,
  • tvar a velikost objektu pro určení velikosti a vzdálenosti osvětlovače,
  • průsvitnost a průhlednost částí objektu, které mohou být využity nebo musí být potlačeny,
  • pozadí objektu, které může působit rušivě,
  • možná změna polohy nebo případný pohyb objektu.

2. Stanovení potřebných vlastností použitého světla

Ke stanovení potřebných vlastností světla je třeba analyzovat, jak se bude použité světlo chovat v interakci se snímaným objektem a jak bude následně působit na snímač obrazu kamery.
 
Působení světla na objekt ukazuje obr. 1. Světlo, které dopadne z osvětlovače na sledovaný objekt, se podle zákonů optiky rozdělí: část se ho odrazí, část způsobí v materiálu objektu emisi sekundárního záření, další část se absorbuje a část projde objektem. Ve strojovém vidění může být využita každá z těchto částí. Interakce světla s objektem závisí na barvě objektu a na barvě (vlnové délce) světla. Na vlnové délce světla závisí i množství akumulovaného náboje, tedy citlivost kamery.
 
Ve strojovém vidění se nejčastěji používá kombinace černobílé kamery a osvětlovače s červeným světlem. Tato kombinace je výhodná z hlediska spektrální citlivosti většiny kamer, v mnoha případech však nemusí přinést optimální výsledky, neboť kontrasty vznikající na objektu absorpcí monochromatického červeného světla se mohou podstatně lišit od kontrastů viditelných okem v bílém světle.
 

3. Stanovení vhodné geometrie osvětlení

Pro různé způsoby vytvoření kontrastu zájmové a rušivé části objektu zavedli výrobci osvětlovačů pro používané geometrie osvětlení toto názvosloví (viz také obr. 2):
  • přední osvětlení s jasným zorným polem (bright-field lighting),
  • přední osvětlení s temným zorným polem (dark-field lighting),
  • zadní světlo (back lighting).
Geometrie osvětlení je dána i složením svazku světla. Paprsky ve svazku mohou být rovnoběžné, v tom případě jde o kolimované světlo s rovnoběžnými paprsky. Difuzní, plně rozptýlené světlo má paprsky rovnoměrně rozložené ve všech směrech. Složení svazku světla reálného osvětlovače svými vlastnostmi leží mezi těmito dvěma extrémy. Paprsky dopadají na objekt v určitém rozmezí úhlů, světlo může být spíše směrované nebo rozptýlené.
 
Obecně platí, že rozptýlené světlo zmenšuje kontrasty způsobené členitostí objektu a strukturou povrchu a zvýrazňuje kontrasty způsobené absorpcí. Naopak, je-li třeba kontrastně zobrazit členění objektu, volí se světlo směrované.
 

3.1 Přední osvětlení s jasným obrazovým polem

Jde o nejsnáze pochopitelný způsob osvětlení objektu; osvětlovač osvětluje objekt tak, aby světlo od něj odražené dopadalo přes objektiv na obrazový snímač. Osvětlení se využívá ve spojení s rozptýleným světlem pro vytvoření kontrastů na základě rozdílné absorpce. Méně často se při předním osvětlení s jasným obrazovým polem používá i směrované světlo, hlavně pro vytvoření kontrastu lesklých ploch.
 

3.2 Přední osvětlení s temným zorným polem

Využívá světlo směrované tak, aby členité části objektu odrážely světlo objektivem na snímač obrazu, zatímco povrch objektu odráží světlo mimo. Tím se vytvoří kontrastní obraz členitosti povrchu v temném poli (z této vlastnosti je odvozen i název).
 

3.3 Zadní osvětlení

Používá se k zobrazení obrysu objektu, typicky v úlohách měření rozměrů. Tento typ osvětlení je nutný, jestliže má být vytvořen kontrastní obrys objektu za průhlednou lesklou překážkou. Nejčastěji využívá rozptýlené světlo.
 

4. Výběr vhodného typu osvětlovače

Na trhu je velký výběr osvětlovačů pro realizaci zmíněných způsobů osvětlení. V současné době se již téměř výhradně používají osvětlovače s diodami LED jako zdroji světla. LED nepotřebují vysoké napětí a jejich světelný tok se snadno reguluje. Vykazují dlouhou životnost a vlastnosti jejich světla se mění jen málo. Většina výrobců dodává základní druhy osvětlovačů, které pokrývají používané geometrie osvětlení. Každý výrobce má v nabídce základní druhy uvedené v následujících odstavcích. V katalozích lze nalézt i další druhy osvětlovačů, které jsou založeny na patentovaném řešení a jejichž některé parametry výrobce ještě dále zlepšuje. Osvětlovače se dodávají v různých velikostech, s různou barvou světla a různým způsobem řízení (nepřetržité světlo, záblesky nebo stroboskopické osvětlení).
 

4.1 Plošná osvětlovací pole

Plošná osvětlovací pole (obr. 3) většinou poskytují směrované světlo. Rozptýlení je dáno vyzařovacím úhlem použitých diod LED. V nenáročných úlohách mohou nahradit i nákladnější osvětlovače pro osvětlení s jasným obrazovým polem a rozptýleným světlem. Často se používají jako zdroje směrovaného světla pro osvětlení s temným zorným polem. Malá a speciální pole se využívají i jako pomocná světla nebo jako zdroje pro složitější osvětlovací soustavy.
 

4.2 Kruhové osvětlovače

Kruhový osvětlovač (obr. 4) poskytuje více rozptýlené světlo směřující od objektivu kamery. V principu jde o osvětlovač pro osvětlení s jasným obrazovým polem a rozptýleným světlem, nemá ovšem zcela ideální vlastnosti, zvláště v provedení jednoduchého kruhu LED, který výrobci někdy přidávají okolo objektivu kamery.
 

4.3 Kopulové osvětlovače

Kopulové osvětlovače (obr. 5) se používají pro osvětlení s jasným obrazovým polem kdy je nezbytně nutné osvětlit objekt světlem skutečně rozptýleným. To je, například, úloha čtení tištěných nápisů na zmačkané lesklé fólii. Rozptýlené světlo se v osvětlovači vytváří difuzním odrazem na vnitřní ploše polokoule. Osvětlení se někdy říká bezestínové (shadowless).
 

4.4 Osvětlovače DOAL

Osvětlovač DOAL (Diffused ON Axis Lighting) poskytuje specifické osvětlení s jasným obrazovým polem a rozptýleným světlem (obr. 6). Použitý difuzor zaručuje lepší rozptýlení světla. Díky konstrukci s polopropustným zrcadlem světlo dopadá rovnoměrně z celé plochy nad objektem, tedy i z prostoru před objektivem kamery. Nevýhodou je vyšší cena a omezené zorné pole.
 

4.5 Osvětlovače dark-field

Z názvu vyplývá, že poskytuje přední osvětlení s temným zorným polem (obr. 7). Realizuje je jako světlo směrované v rovině téměř kolmé k ose objektivu kamery. Typickým příkladem využití osvětlovače dark-field je zdůraznění gravírovaných nebo laserem vypálených značek či nápisů. Osvětlovač dark- -field používaný pro takové účely je obvykle tvořen kruhem diod LED s úzkou vyzařovací charakteristikou, které svítí téměř v rovině kruhu do jeho středu.
 

4.6 Osvětlovače backlight

Zadní rozptýlené světlo neboli backlight (obr. 8) je nejčastěji používaný typ zadního osvětlení. Je vhodné především při měřeních, kde je třeba zobrazit obrys měřené součásti. Dalším typickým příkladem je úloha rozpoznání nebo nalezení polohy součásti v průhledném pouzdru – kontrola vlákna žárovky. Osvětlovač backlight je konstruován jako pole diod LED s předřazeným velkoplošným rozptylovačem (difuzorem). Při volbě osvětlovače je třeba vzít v úvahu, že měření obrysu vyžaduje zcela homogenní zadní světlo.
 

4.7 Řízení osvětlovačů

Je-li požadováno nepřetržité osvětlení, není třeba osvětlovač nijak řídit. Pokud se světlo zapíná jen v okamžiku expozice, je nutné využít řídicí jednotku, kterou obvykle dodává výrobce osvětlovačů. Téměř všechny systémy strojového vidění mají digitální výstup umožňující synchronizaci světla se snímkem, který lze přímo propojit s řídicí jednotkou osvětlovače. Někdy je výhodné využít i možnost řídit výkon (světelného toku) osvětlovače. Pak je možné eliminovat případné snížení světelného toku způsobené např. stárnutím světelného zdroje zvýšením příkonu.
 

5. Eliminace rušivých vlivů

Pokud by byl jediným zdrojem světla správně volený osvětlovač, bylo by snadné pro každý snímek docílit stále stejného jasového obrazu na snímači obrazu. Výsledky inspekce by pak byly opakovatelné. V prostředí průmyslového provozu však téměř vždy existují i jiné zdroje světla. Patří sem v první řadě denní světlo a umělé osvětlení provozu. Parametry těchto zdrojů jsou v podstatě nepředvídatelné; závisejí na denní a roční době, na počasí a mnoha dalších okolnostech.
 
Nejjednodušším řešením je tyto nežádoucí zdroje světla odstínit. Je-li to technicky nemožné, použije se osvětlovač, který je schopen vytvořit řádově vyšší osvětlení než nežádoucí zdroje. Vliv rušivého světla pak působí jen relativně malé změny v celkovém osvětlení. Nutný světelný tok takového osvětlovače je však většinou velmi vysoký a relativně vysoký je i jeho příkon. Proto se osvětlovač zapíná jen po dobu expozice. Blikání intenzivního světla však často působí nepříjemně na případnou lidskou obsluhu, způsobuje únavu a při dlouhodobém působení i zdravotní potíže. Vysoké osvětlení také často vyžaduje velké zaclonění objektivu, což někdy nemusí být žádoucí.
 
Dalším rušivým vlivem může být nejistá poloha objektu v případech, kdy zařízení, které zajišťuje nastavení objektu před kameru, pracuje s velkými nepřesnostmi. Osvětlovač je nutné volit a instalovat tak, aby tolerovaná změna polohy nezpůsobila odlišné vytváření kontrastů v jasovém obrazu.
 
Další příčinou kolísání osvětlení mohou být nečistoty – prach, který se usazuje na aktivní ploše osvětlovače. Je tedy třeba zajistit pravidelné čištění osvětlovače. Ve skutečně prašných provozech je dokonce třeba osvětlovač čistit průběžně ofukováním stlačeným vzduchem. Při nevhodné konstrukci zapouzdřeného osvětlovače se prach může dostat dovnitř a usadit se např. na rozptylovačích, zrcadlech a dalších optických prvcích. Snížení svítivosti nemusí být okem registrovatelné, a přesto může způsobit nevysvětlitelné zvýšení chyby měření.
 

6. Integrace systému strojového vidění do výrobního procesu

V předchozích dílech seriálu bylo řečeno, že většina úloh strojového vidění se realizuje při kontrole přípravy, průběhu nebo výsledku výrobní operace. Pro úspěšnou integraci strojového vidění do cyklu výrobní operace je třeba přezkoumat splnění hlavních podmínek:
  1.  Vhodné prostorové uspořádání výrobního zařízení, které umožní nasvítit a sejmout obraz objektu obsahující požadovanou informaci.
  2. Vhodné časové uspořádání operačního cyklu, které poskytne potřebnou dobu na sejmutí a vyhodnocení snímku i následnou akci.
  3. Vhodné uspořádání výrobního zařízení, zajišťující uplatnění výsledku inspekce ve výrobní operaci: např. zastavení operace při zjištění chyby v přípravě či vyřazení dílu, u kterého inspekce zjistila vadu.
Nejlépe lze tyto podmínky splnit, když se s integrací strojového vidění počítá již při konstrukci výrobního zařízení. Jestliže je systém strojového vidění do výrobního zařízení začleňován dodatečně, řeší se jeho integrace jedním ze dvou způsobů. V prvním případě je výrobní zařízení upraveno montáží dodatečného zařízení. Tento postup se využívá, pokud lze podmínky 1 až 3 splnit úpravami, které je možné technicky realizovat a které jsou ekonomicky únosné. Nelze-li podmínky 1 až 3 splnit, je nutné do výrobního procesu na vhodném místě vřadit automatizované kontrolní pracoviště vybavené systémem strojového vidění. Samostatné kontrolní zařízení bývá zvoleno i v případech, kdy chce investor využít flexibilitu inspekce vykonávané pomocí strojového vidění a postavit mobilní kontrolní stolici umožňující použít ji na více místech výrobního procesu.
 

7. Závěr

Strojové vidění je rychle se rozvíjející obor průmyslové automatizace, který má podle očekávání růst ještě minimálně v příštích dvou letech. V oboru strojového vidění se angažují nejen původní dodavatelé systémů pro analýzu obrazu, ale i výrobci počítačového hardwaru nebo výrobci standardní senzoriky. Úspěch zavedení strojového vidění však nezávisí jen na rozlišovací schopnosti kamery, výkonnosti procesoru nebo nabídce softwarových možností. Klíčovým faktorem je zkušenost systémového integrátora, který musí k úspěšné realizaci systému strojového vidění spojit znalosti a zkušenosti z mechaniky, fyzikální i geometrické optiky, automatizační techniky i organizace výrobního procesu. Musí mít k dispozici i technické zázemí, laboratoř s odpovídajícím vybavením k vývoji aplikace, musí být schopen zajistit odpovídající zaškolení obsluhy a údržby. U systémů strojového vidění je důležitá schopnost poskytnout dlouhodobou podporu i po instalaci zařízení. Vzhledem ke klíčové úloze systému strojového vidění při kontrole kvality produkce je nezbytné zajistit vždy rychlý a kvalifikovaný servisní zásah.
 
Ing. Otto Havle, CSc., MBA,
 
Obr. 1. Působení světla na objekt v úlohách strojového vidění
Obr. 2. Geometrie osvětlení v úlohách strojového vidění
Obr. 3. Plošná osvětlovací pole – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače
Obr. 4. Kruhový osvětlovač – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače
Obr. 5. Kopulový osvětlovač – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače, c) příklad zobrazení
Obr. 6. Osvětlovač DOAL – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače, c) příklad zobrazení
Obr. 7. Osvětlovač dark-field – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače, c) příklad zobrazení
Obr. 8. Osvětlovač Backlight – a) osvětlovač, b) schéma osvětlovače, c) příklad zobrazení