Produkty
Artykuły
Avicon

Wizja maszynowa

Co to jest wizja maszynowa?

Wizja maszynowa to hasło kryjące w sobie szereg technologii zapewniających automatyczną inspekcję na podstawie analizy obrazu pochodzącego z kamery. Systemy inspekcji są zespołami uzupełniającymi linię produkcyjną, znacznie przyspieszającymi i automatyzującymi proces kontroli. W skład takich systemów wchodzi wiele różnych innych technologii obejmujących sprzęt jak i oprogramowanie. Wizja maszynowa korzysta z takich dziedzin jak: optyka, mechatronika, automatyka czy informatyka.

Z czego składa się system wizyjny?

Systemy wizji maszynowej składają się z kilku elementów, z czego kluczowym jest kamera. Jej zadaniem jest digitalizacja obrazu, czyli uzyskanie reprezentacji cyfrowej w pamięci RAM. W zależności od obserwowanej sceny, kamera wymaga dobrania odpowiedniego obiektywu, który jest dopasowany do sensora optycznego pod kątem szerokości pola widzenia oraz rozdzielczości. Dodatkowo w skład systemu wchodzą również oświetlacze, stanowiące źródło światła, a także komputery z zainstalowanym oprogramowaniem do przetwarzania obrazów. Ważnymi elementami są również czujniki i enkodery detekujące obiekty oraz elementy mechaniczne odpowiedzialne np. za odrzucanie wadliwych produktów. Obecnie na rynku dostępnych jest coraz więcej kompaktowych rozwiązań, łączących wszystkie te elementy w jedno urządzenie, w ramach tak zwanych kamer inteligentnych. Stanowią one wygodne rozwiązanie ze względu na kompaktowość oferowane możliwości.

wizja-maszynowa-schemat
Wizja maszynowa, zrealizowana za pomocą podstawowych komponentów wizyjnych. Na rysunku widać taśmę z obserwowanymi obiektami, kamerę podłączoną do komputera oraz oświetlacz jako źródło światła.

Kamery kolorowe są rzadziej wykorzystywane w systemach wizyjnych niż kamery monochromatyczne, choć trend ten powoli ulega zmianie. Coraz częściej doceniana jest rola barwy obrazu jako nośnika informacji. Kamery cyfrowe pozwalają na bezpośredni przesył obrazu do pamięci komputera, skąd następnie obraz jest analizowany za pomocą odpowiednich algorytmów i podejmowana jest decyzja co do danego obiektu obserwacji. Innym, wspomnianym już wyżej rozwiązaniem są kamery inteligentne, posiadające wbudowany procesor i oprogramowanie, przystosowane do danego zadania. To zyskujące na popularności rozwiązanie często pozwala na ograniczenie kosztów systemu jak i redukcję złożoności. Kamery inteligentne dla prostych aplikacji są w stanie zapewnić wydajność i jakość porównywalną z systemami „PC-based”. Urządzenia te najlepszym rozwiązaniem przy nietypowych i zaawansowanych problemach detekcji wad w obrazie. Wtedy lepszym rozwiązaniem będą systemy tradycyjne, pozwalające na większą elastyczność i nie wymagające kompromisu pomiędzy rozdzielczością systemu, a prędkością kontroli.

wizja-maszynowa-komponenty
Od komponentów wizyjnych wymaga się wysokiej jakości. Dobry obiektyw ceną może nawet dorównywać kamerze.

Zastosowanie wizji maszynowej

Pierwszym nasuwającym się automatycznie zastosowaniem wizji maszynowej jest przemysł. Systemy wizyjne świetnie sprawdzą się przy kontroli produktów takich jak żywność, leki czy elementy elektroniczne, gdzie mogą zapewnić szybkość i dokładność znacznie większą niż ta z jaką zrobiłby to człowiek. Wizja maszynowa stanowi także podstawę wielu systemów utrzymania ruchu. Procesy takie jak paletyzacja czy „bin picking” to nieodłączne składowe wielu ośrodków produkcyjnych. Przykładem urządzenia, które swoją zasadę działania opiera na systemie wizyjnym jest sorter optyczny. Kamera detekująca złe i dobre obiekty połączona z mechanizmami odrzutu pozwala osiągać wydajność nawet kilku ton przesortowanego materiału na godzinę.

Użycie kamer i odpowiedniego oprogramowania pozwala uzyskać większą dokładność, a przede wszystkim znaczne przyspieszenie całego procesu inspekcji. Możliwe jest także wyeliminowanie w ten sposób wszystkich negatywnych aspektów związanych z pracą ludzi, a więc występowania rozproszenia, zmęczenia czy różnych innych czynników uniemożliwiających dokładną i rzetelną pracę 24h na dobę.

wizja-maszynowa-zastosowania
Wymagana wysoka dokładność i mały rozmiar elementów sprawiają, że bez systemu wizji maszynowej płynna kontrola jakości nie jest w ogóle możliwa.

Wizja maszynowa jest także istotną częścią technologii medycznej oraz sprzętu laboratoryjnego. Akwizycja, analiza oraz jednoczesna archiwizacja obrazu dają szerokie spektrum możliwości dokumentowania oraz standaryzowania diagnostyki. Wysokorozdzielcze kamery niosą nieocenioną pomoc przy pracy z preparatami i próbkami oglądanymi pod mikroskopem. Dzięki nim możliwa jest szybka digitalizacja otrzymanego obrazu w pamięci komputera, a następnie rzetelna analiza otrzymanych rezultatów.   

Sport i rozrywka również jest dziedziną, gdzie systemy wizyjne pełnią kluczowe funkcje. Od wielu lat system wizyjny jest nieodłącznym elementem każdego większego turnieju tenisowego lub siatkarskiego, gdzie obserwując ruch piłki, może wyznaczyć jej tor z dokładnością do milimetrów. Szczególnie ostatnio coraz więcej można usłyszeć o wejściu wizji maszynowej do najpopularniejszego sportu na świecie, czyli piłki nożnej. Kamery kontrolujące przekroczenie linii bramkowej przez piłkę pozwalają rzetelnie rozstrzygać spotkania na obszarze krajowym jak i międzynarodowym.

Systemy wizyjne a ludzie

Komputery nie postrzegają danego obrazu w ten sam sposób co człowiek. Póki co nie skonstruowano kamery, która byłaby równoważna optyce ludzkiej. Człowiek podczas obserwacji może bowiem wysnuwać wnioski czy przypuszczenia. Urządzenie elektroniczne pracuje natomiast na zasadzie sprawdzania pojedynczych pikseli obrazu, przetwarzania ich i znajdywania finalnej informacji. Komputery zdolne są do konsekwentnego i skutecznego przetwarzania obrazów, jednak zazwyczaj projektuje się algorytmy z myślą o powtarzalnym, konkretnym zadaniu. W związku z tym, póki co wizja maszynowa nie jest w stanie dorównać zdolnościom człowieka takim jak zrozumienie widzianego obrazu czy tolerancja na zmieniające się oświetlenie lub szczegółowe cechy obiektu.

Mimo to w jednej dziedzinie człowiek nie może się równać z wizją maszynową. To wspomniana już prędkość działania i niezawodność podczas długiej, monotonnej pracy. System wizyjny w zaledwie ułamku sekundy może pobrać obraz i podjąć decyzję, co dla człowieka jest fizycznie niemożliwe – decyzja ta jednak musi być całkowicie i jednoznacznie opisana algorytmicznie.

Nowe rozwiązania

Producenci starają się jednak wciąż rozwijać widzenie maszynowe i stawiają na nowoczesne rozwiązania. Ciekawym przykładem nowych możliwości systemów wizyjnych jest rapid prototyping, czyli szybkie prototypowanie. Urządzenia do szybkiego prototypowania – skanery 3D pozwalają na dokładne skanowanie obiektów w technologii 3D. Taka technika polega na tworzeniu za pomocą skanera 3D cyfrowej dokumentacji rzeczywistego obiektu bez konieczności modelowania w środowisku programistów inżynierskich czy graficznych.

Od dziesiątek lat trend miniaturyzacji napędza rozwój wielu sektorów rynku elektronicznego. Tendencję tę obserwuje się wśród produktów użytku codziennego, jak i w systemach przemysłowych. Pojawienie się w ostatnich latach komputerów jednopłytowych (Single-Board Computer), a także coraz to mniejszych modułów kamer pozwoliło na wyznaczenie nowego kierunku rozwoju systemów widzenia maszynowego. Wizja Embedded zakłada integrację wielu zminiaturyzowanych modułów w jedno kompaktowe rozwiązanie, mogące stanowić samodzielne urządzenie. Systemy wbudowane wykazują gotowość do implementacji OEM. Takie rozwiązania mogą w przyszłości wyprzeć tradycyjną wizję maszynową w wielu sektorach. Przykładowo, zamiast używać kamer i komputerów jako oddzielnych elementów systemu, wizja emebedded umożliwia integrację modułu kamery i komputera jednopłytowego, wyposażonego w procesor ARM. Dzięki wbudowanym systemom wizyjnym możliwe będzie jeszcze elastyczniejsze podejście do skomplikowanych problemów wizji maszynowej. Rozwiązania embedded wyróżniają się również większą kompaktowością w stosunku do tradycyjnych, dzięki czemu sprawdzą się tam, gdzie standardowe systemy zajęłyby zbyt dużo miejsca. Wraz z ograniczeniem wymiarów rośnie także energooszczędność. Komputery jednopłytowe pobierają o wiele mnie energii niż ich tradycyjne odpowiedniki i wydzielają mniej ciepła. Nowy trend widzą również producenci komponentów wizyjnych. Firma Basler posiada od niedana nową serię produktów dedykowanych temu sektorowi. Kamery z serii Dart, wyposażone w interfejs BCON dla MIPI, stanowią przystępne rozwiązanie, w znacznym stopniu ułatwiające konstrukcję systemów wbudowanych.

Innym przykładem jest technologia kamer multispektralnych i hiperspektralnych, gdzie informacja o barwie zbierana jest nie w 3 kanałach RGB, ale w kilkunastu. Pozwala to na zupełnie nowe aplikacje takie jak analiza barwowa elementów lakierowanych, czy ocena świeżości warzyw i owoców.

Kolejnym przykładem urządzenia, mogącego otworzyć nowe kierunki dla wizji maszynowej są kamery ToF. Urządzenia te analizując czas przelotu wiązki z kamery do obiektu i z powrotem są w stanie wyznaczyć chmurę punktów 3D, reprezentującą obserwowany obszar. Szczególnie rewolucyjne jest to, że poza samą kamerą nie potrzeba zupełnie żadnych dodatkowych elementów. Dzięki swojej kompaktowości, kamerę ToF można bardzo szybko i bezinwazyjnie wkomponować w już istniejące systemy wizyjne.