#03 Základné komponenty strojového videnia

V predošlých príspevkoch sme si objasnili základy strojového videnia a poukázali sme na rôznorodosť využitia. V danom príspevku si uvedieme základné komponenty potrebné k vytvoreniu funkčného celku strojového videnia a objasníme si ich základnú funkcionalitu.

Strojové videnie pozostáva predovšetkým z niekoľkých funkčných celkov, a to z kamerového systému (snímača obrazu, objektív...), osvetlenia, jednotky na spracovanie dát a v neposlednom rade komunikačného modulu.

Osvetlenie nám zabezpečuje nasvietenie snímaného objektu. Ide o veľmi dôležitý prvok systému strojového videnia, nakoľko nám zabezpečuje stále svetelné podmienky. Svetlo je jedným z kľúčových komponentov zabezpečujúci spoľahlivosť , kvalitu a stabilitu celého kamerového systému! Prostredníctvom objektívu sa zachytáva obraz, ktorý sa posiela vo forme svetla do snímača obrazu. Tu sa realizuje transformácia svetla (prijímaného obrazu) do digitálnej podoby. Vision system (centrálna vyhodnocovacia jednotka), ktorého najdôležitejšou časťou je CPU (central processing unit), sa stará o vyhodnocovanie obrazu. Vision system môže byť ako časť kamery alebo ako samostatná jednotka (viď nasledujúci obr.). Centrálna vyhodnocovacia jednotka následne obsahuje komunikačný modul a vstupy/ výstupy s cieľom prijímať dáta pre riadenie kamerového systému (spustenie fotenia, nastavenie programu pre vybraný objekt a pod.) a vysielať dáta s cieľom oboznamovať o spracovaných výsledkoch nasnímaného obrazu.

Medzi ďalšie komponenty tvoriace funkčný celok strojového videnia môžeme zaradiť ovládací panel (dotykový panel/ HMI), PC alebo PLC automat prijímajúci spracované dáta z centrálnej vyhodnocovacej jednotky za účelom ďalšieho spracovania a riadenia výrobného zariadenia. Príklad: Kamerový systém nasníma objekt a vyhodnotí či je objekt dobrý alebo zlý. Túto informáciu pošle prostredníctvom komunikačného modulu do PLC automatu, ktorý sa postará o to, aby bol v prípade vyhodnotenia produktu ako Zlý - daný produkt vyradený z dopravného pásu medzi nepodarky.

Objektív

Objektív zachytává obraz ktorý následne „dopravuje“ do snímača obrazu. Môže byť vyhotovený v rôznej kvalite, a teda vzhľadom na kvalitu v rôznych cenových reláciách. Treba si však uvedomiť skutočnosť, že práve objektív určuje kvalitu a rozlíšenie snímaného objektu. Ich súčasťou býva automatické zaostrovanie tiež známy pod názvom autofocus. Experti na spracovanie obrazu vedia na základe požiadaviek zákazníka, alebo inak na základe očakávaní od kamerového systému vybrať ten správny objektív. Môžeme to prirovnať ku osobným fotoaparátom- zrkadlovke, kde taktiež volíme vymeniteľné objektívy podľa toho, čo chceme fotiť (či fotíme prírodu, portréty, krátka – dlhá vzdialenosť a podobne).

Snímač obrazu: Image sensor:

Na kvalite samotného obrazu sa taktiež okrem objektívu podieľa aj snímač obrazu. Ten využíva čip schopný transformovať svetelné signály (fotóny) na elektrické signály (elektróny). Ako už bolo uvedené, práve tu sa odohráva premena obrazu do digitálnej podoby – fotky zloženej z kolekcie pixelov. Samozrejme platí pravidlo, že čí viac pixelov - tým viac detailov dokážeme vidieť na vytvorenej fotografii. Je preto dôležité zvážiť správny výber kamerového systému zo správnym snímačom obrazu na základe požiadaviek vybranej aplikácie. Pri poddimenzovaní to môže mať za následok nesprávne –resp. nepostačujúce vyhodnocovanie súčiastok pre nepostačujúcu kvalitu fotografií. Pri predimenzovaní si siahneme predovšetkým hlbšie do peňaženky.

Centrálna vyhodnocovacia jednotka (Vision processing):

Už zo samotného názvu uvedenej časti kamerového systému vyplýva, že ide o časť zaoberajúca sa spracovaním a vyhodnocovaním digitálneho obrazu prijatého zo snímača obrazu (image sensor). Uvedený proces môže byť realizovaný priamo v kamerovom systéme ako jeho súčasť (embedded system), alebo externe v počítači (externý spôsob je naznačený na obr. vyššie ). Proces spracovania dát je záležitosť softvérová, avšak rovnako ako pri predošlých prvkoch je potrebné pri výbere vlastného kamerového systému zvážiť všetky možnosti a obmedzenia centrálnej vyhodnocovacej jednotky (rýchlosť spracovania dát, softvérové knižnice, a podobne.), ktoré nám konkrétny výrobca ponúka.

Komunikácia:

Ako sme už naznačili vyššie, kamerové systémy dokážu komunikovať s externými zariadeniami za účelom výmeny dát (PLC automat, Robot a podobne). Najjednoduchšie a najrýchlejšie riešenie prepojenia je prostredníctvom digitálnych vstupov/výstupov. Pri potrebe prenosu informácií obsahujúcich väčšie množstvo dát je vhodnejšia komunikácia prostredníctvom komunikačných sieti a protokolov (RS 232, Ethernet TCP/IP, profinet a  podobne). Tie sú však zvyčajne drahšie oproti digitálnym vstupom/výstupom, a preto si treba opäť dôkladne zvážiť potreby navrhovaného kamerového systému.

• INTRODUCTION TO MACHINE VISIOn, A guide to automating process & quality improvements, Cognex.
• Machine vision, Reference Guide, Datalogic.
• SICK AG, Whitepaper, select the best technology for your vision application, SICK. Frederik Nilsson, Anders Murhed. 

Autor: Ing. Peter Marčan, PhD.