Τι είναι η μηχανική όραση και πώς μπορεί να βοηθήσει;

Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μηχανικής όρασης μπορεί να σας βοηθήσει να προσδιορίσετε εάν η μηχανική όραση επιλύει συγκεκριμένα προβλήματα εφαρμογής στην κατασκευή ή την επεξεργασία.

Οι άνθρωποι συχνά δεν καταλαβαίνουν τι μπορεί και τι δεν μπορεί να κάνει η όραση από μηχανή (υπολογιστής, τεχνητή) για μια γραμμή ή διαδικασία παραγωγής. Η κατανόηση του πώς λειτουργεί μπορεί να βοηθήσει τους ανθρώπους να αποφασίσουν εάν θα λύσει προβλήματα σε μια εφαρμογή. Τι ακριβώς είναι λοιπόν η όραση υπολογιστή και πώς λειτουργεί στην πραγματικότητα;

Η τεχνητή όραση είναι μια σύγχρονη τεχνολογία που περιλαμβάνει εργαλεία για την απόκτηση, επεξεργασία και ανάλυση εικόνων του φυσικού κόσμου προκειμένου να δημιουργηθούν πληροφορίες που μπορούν να ερμηνευθούν και να χρησιμοποιηθούν από μια μηχανή χρησιμοποιώντας ψηφιακές διαδικασίες.

Η χρήση της τεχνητής όρασης στη βιομηχανία

Η όραση υπολογιστή αναφέρεται στη χρήση μιας ή περισσότερων καμερών για την αυτόματη επιθεώρηση και ανάλυση αντικειμένων, πιο συχνά σε βιομηχανικό ή κατασκευαστικό περιβάλλον. Τα δεδομένα που προκύπτουν μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο διαδικασιών ή παραγωγικών δραστηριοτήτων.

Αυτή η τεχνολογία αυτοματοποιεί ένα ευρύ φάσμα εργασιών παρέχοντας στις μηχανές τις πληροφορίες που χρειάζονται για να λάβουν τις σωστές αποφάσεις για κάθε εργασία.

Η χρήση της τεχνητής όρασης στη βιομηχανία επιτρέπει την αυτοματοποίηση των διαδικασιών παραγωγής, οδηγώντας σε καλύτερα αποτελέσματα παραγωγής μέσω της χρήσης ποιοτικού ελέγχου και μεγαλύτερης ευελιξίας σε κάθε στάδιο.

Επί του παρόντος, η χρήση της βιομηχανικής τεχνητής όρασης έχει βελτιώσει σημαντικά τις διαδικασίες παραγωγής. Αυτό κατέστησε δυνατή την απόκτηση προϊόντων υψηλότερης ποιότητας με χαμηλότερο κόστος και σε όλους σχεδόν τους τομείς της βιομηχανίας, από την αυτοκινητοβιομηχανία και τα τρόφιμα, μέχρι τα ηλεκτρονικά και τα logistics.

Μια τυπική χρήση θα ήταν μια γραμμή συναρμολόγησης όπου η κάμερα ενεργοποιείται μετά την εκτέλεση μιας λειτουργίας σε ένα εξάρτημα που λαμβάνει και επεξεργάζεται μια εικόνα. Η κάμερα μπορεί να προγραμματιστεί για να ελέγχει τη θέση ενός συγκεκριμένου αντικειμένου, το χρώμα, το μέγεθος ή το σχήμα του και την παρουσία του αντικειμένου.

Η μηχανική όραση μπορεί επίσης να αναζητήσει και να αποκωδικοποιήσει τυπικούς γραμμωτούς κώδικες 2D matrix ή ακόμα και να διαβάσει τυπωμένους χαρακτήρες. Μετά τον έλεγχο του προϊόντος, συνήθως παράγεται ένα σήμα που καθορίζει τι θα γίνει με το προϊόν στη συνέχεια. Το εξάρτημα μπορεί να πέσει σε ένα δοχείο, να δρομολογηθεί σε έναν μεταφορέα διακλάδωσης ή να περάσει σε άλλες λειτουργίες συναρμολόγησης και τα αποτελέσματα της επιθεώρησης παρακολουθούνται στο σύστημα.

Σε κάθε περίπτωση, τα συστήματα υπολογιστικής όρασης μπορούν να παρέχουν πολύ περισσότερες πληροφορίες για ένα αντικείμενο από ό,τι απλοί αισθητήρες θέσης.

Η όραση υπολογιστή χρησιμοποιείται συνήθως, για παράδειγμα, για:

• QA,
• έλεγχος ρομπότ (μηχανής),
• δοκιμή και βαθμονόμηση,
• έλεγχος διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο,
• συλλογή δεδομένων,
• παρακολούθηση μηχανών,
• ταξινόμηση και καταμέτρηση.

Πολλοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν αυτοματοποιημένη όραση υπολογιστή αντί για προσωπικό επιθεώρησης, επειδή είναι πιο κατάλληλο για επαναλαμβανόμενες επιθεωρήσεις. Είναι πιο γρήγορο, πιο αντικειμενικό και λειτουργεί όλο το εικοσιτετράωρο.

Τα συστήματα υπολογιστικής όρασης μπορούν να επιθεωρούν εκατοντάδες ή χιλιάδες εξαρτήματα ανά λεπτό και να παρέχουν πιο συνεπή και αξιόπιστα αποτελέσματα επιθεώρησης από τους ανθρώπους. Με τη μείωση των ελαττωμάτων, την αύξηση των εσόδων, τη διευκόλυνση της συμμόρφωσης και την παρακολούθηση εξαρτημάτων με την όραση υπολογιστή, οι κατασκευαστές μπορούν να εξοικονομήσουν χρήματα και να αυξήσουν την κερδοφορία τους.

Πώς λειτουργεί η μηχανική όραση

Ένα διακριτό φωτοκύτταρο είναι ένας από τους απλούστερους αισθητήρες στον τομέα του βιομηχανικού αυτοματισμού. Ο λόγος που το ονομάζουμε «διακριτό» ή ψηφιακό είναι επειδή έχει μόνο δύο καταστάσεις: ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση.

Η αρχή λειτουργίας ενός διακριτού φωτοκυττάρου (οπτικός αισθητήρας) είναι να μεταδίδει μια δέσμη φωτός και να προσδιορίζει εάν το φως ανακλάται από ένα αντικείμενο. Εάν δεν υπάρχει αντικείμενο, το φως δεν αντανακλάται στον δέκτη φωτοκυττάρων. Ένα ηλεκτρικό σήμα, συνήθως 24 V, συνδέεται στον δέκτη.

Εάν υπάρχει το αντικείμενο, το σήμα ενεργοποιείται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο σύστημα ελέγχου για την εκτέλεση μιας ενέργειας. Όταν το αντικείμενο διαγραφεί, το σήμα απενεργοποιείται ξανά.

Ένας τέτοιος αισθητήρας μπορεί επίσης να είναι αναλογικός. Αντί για δύο κράτη, δηλ. απενεργοποιημένο και ενεργοποιημένο, μπορεί να επιστρέψει μια τιμή που υποδεικνύει πόσο φως επιστρέφει στον δέκτη του. Μπορεί να επιστρέψει 256 τιμές, από 0 (που σημαίνει χωρίς φως) έως 255 (σημαίνει πολύ φως).

Φανταστείτε χιλιάδες μικροσκοπικά αναλογικά φωτοκύτταρα διατεταγμένα σε μια τετράγωνη ή ορθογώνια διάταξη με στόχο ένα αντικείμενο.Αυτό θα δημιουργήσει μια ασπρόμαυρη εικόνα του αντικειμένου με βάση την ανακλαστικότητα της θέσης στην οποία δείχνει ο αισθητήρας. Τα μεμονωμένα σημεία σάρωσης σε αυτές τις εικόνες ονομάζονται "pixel".

Φυσικά, χιλιάδες μικροσκοπικοί φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες δεν χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία της εικόνας. Αντίθετα, ο φακός εστιάζει την εικόνα σε μια σειρά ημιαγωγών ανιχνευτών φωτός.

Αυτή η μήτρα χρησιμοποιεί συστοιχίες φωτοευαίσθητων συσκευών ημιαγωγών όπως CCD (Συσκευή συζευγμένης φόρτισης) ή CMOS (Συμπληρωματικός ημιαγωγός μετάλλου-οξειδίου). Οι μεμονωμένοι αισθητήρες σε αυτόν τον πίνακα είναι pixel.

Τα τέσσερα κύρια στοιχεία ενός συστήματος όρασης υπολογιστή

Τα τέσσερα κύρια στοιχεία ενός συστήματος όρασης υπολογιστή είναι:

• φακοί και φωτισμός?
• αισθητήρας εικόνας ή κάμερα.
• επεξεργαστής?
• ένας τρόπος μεταφοράς αποτελεσμάτων, είτε μέσω φυσικής σύνδεσης εισόδου/εξόδου (I/O) είτε μέσω άλλης μεθόδου επικοινωνίας.

Η όραση υπολογιστή μπορεί να χρησιμοποιήσει έγχρωμη σάρωση εικονοστοιχείων και συχνά χρησιμοποιεί πολύ μεγαλύτερη σειρά pixel. Τα εργαλεία λογισμικού εφαρμόζονται σε εικόνες που έχουν ληφθεί για τον προσδιορισμό του μεγέθους, της θέσης των άκρων, της κίνησης και της σχετικής θέσης των στοιχείων μεταξύ τους.

Οι φακοί καταγράφουν την εικόνα και τη μεταδίδουν στον αισθητήρα με τη μορφή φωτός. Για τη βελτιστοποίηση του συστήματος όρασης υπολογιστή, η κάμερα πρέπει να συνδυαστεί με κατάλληλους φακούς.

Αν και υπάρχουν πολλοί τύποι φακών, οι φακοί σταθερής εστιακής απόστασης χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές όρασης υπολογιστή. Τρεις παράγοντες είναι σημαντικοί κατά την επιλογή: οπτικό πεδίο, απόσταση εργασίας, μέγεθος αισθητήρα κάμερας.

Ο φωτισμός μπορεί να εφαρμοστεί σε μια εικόνα με διάφορους τρόπους. Η κατεύθυνση από την οποία προέρχεται το φως, η φωτεινότητά του και το χρώμα ή το μήκος κύματός του σε σύγκριση με το χρώμα του στόχου είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός περιβάλλοντος όρασης υπολογιστή.

Ενώ ο φωτισμός είναι ένα σημαντικό μέρος της λήψης μιας καλής εικόνας, υπάρχουν δύο άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το πόσο φως λαμβάνει μια εικόνα. Ο φακός περιλαμβάνει μια ρύθμιση που ονομάζεται διάφραγμα, η οποία ανοίγει ή κλείνει για να επιτρέψει σε περισσότερο ή λιγότερο φως να εισέλθει στον φακό.

Σε συνδυασμό με το χρόνο έκθεσης, αυτό καθορίζει την ποσότητα φωτός που χτυπά τη διάταξη εικονοστοιχείων πριν από την εφαρμογή φωτισμού. Η ταχύτητα κλείστρου ή ο χρόνος έκθεσης καθορίζει πόσο καιρό θα προβάλλεται η εικόνα στη μήτρα των pixel.

Στην όραση υπολογιστή, το κλείστρο ελέγχεται ηλεκτρονικά, συνήθως με ακρίβεια χιλιοστού του δευτερολέπτου. Μετά τη λήψη της εικόνας, εφαρμόζονται τα εργαλεία λογισμικού. Μερικά χρησιμοποιούνται πριν από την ανάλυση (προεπεξεργασία), άλλα χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του αντικειμένου που μελετάται.

Κατά την προεπεξεργασία, μπορείτε να εφαρμόσετε εφέ σε μια εικόνα για να ακονίσετε τις άκρες, να αυξήσετε την αντίθεση ή να γεμίσετε κενά. Ο σκοπός αυτών των εργασιών είναι να βελτιώσουν τις δυνατότητες άλλων εργαλείων λογισμικού.

Η τεχνητή όραση είναι μια τεχνολογία που μιμείται την ανθρώπινη όραση και σας επιτρέπει να λαμβάνετε, να επεξεργάζεστε και να ερμηνεύετε εικόνες που λαμβάνονται κατά τις διαδικασίες παραγωγής.Οι μηχανές τεχνητής όρασης αναλύουν και αποκωδικοποιούν τις πληροφορίες που λαμβάνονται κατά τις διαδικασίες παραγωγής για να λάβουν αποφάσεις και να ενεργήσουν με τον πιο βολικό τρόπο μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας. Η επεξεργασία αυτών των εικόνων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το λογισμικό που σχετίζεται με το μηχάνημα και με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται, είναι δυνατό να συνεχιστούν οι διαδικασίες και να εντοπιστούν πιθανά σφάλματα στις γραμμές συναρμολόγησης.

Ο στόχος της όρασης υπολογιστή

Ακολουθούν ορισμένα κοινά εργαλεία που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να λάβετε πληροφορίες σχετικά με τον στόχο σας:

• Πλήθος εικονοστοιχείων: Εμφανίζει τον αριθμό των φωτεινών ή σκούρων εικονοστοιχείων στο αντικείμενο.
• Ανίχνευση άκρων: Βρείτε την άκρη ενός αντικειμένου.
• Μέτρηση (μετρολογία): μέτρηση των διαστάσεων ενός αντικειμένου (π.χ. σε χιλιοστά).
• Αναγνώριση προτύπων ή αντιστοίχιση μοτίβων: Αναζήτηση, αντιστοίχιση ή μέτρηση συγκεκριμένων μοτίβων. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει την ανίχνευση ενός αντικειμένου που μπορεί να περιστραφεί, να κρυφτεί μερικώς από άλλο αντικείμενο ή να έχει άλλα αντικείμενα.
• Optical Character Recognition (OCR): Αυτόματη ανάγνωση κειμένων όπως σειριακούς αριθμούς.
• Barcode, Data Matrix και 2D Barcode Reading: Συλλέξτε δεδομένα που περιέχονται σε διάφορα πρότυπα barcoding.
• Ανίχνευση κηλίδων: Ελέγχει την εικόνα για μπαλώματα διασυνδεδεμένων pixel (όπως μια μαύρη τρύπα σε ένα γκρι αντικείμενο) ως σημείο αναφοράς για την εικόνα.
• Ανάλυση χρώματος: αναγνωρίστε μέρη, προϊόντα και αντικείμενα ανά χρώμα, αξιολογήστε την ποιότητα και επισημάνετε στοιχεία ανά χρώμα.

Ο σκοπός της απόκτησης δεδομένων επιθεώρησης είναι συχνά η χρήση τους για σύγκριση με τις τιμές-στόχους για τον προσδιορισμό της επιτυχίας/αποτυχίας ή της συνέχειας/μη συνέχισης.

Για παράδειγμα, κατά τη σάρωση ενός κωδικού ή γραμμικού κώδικα, η τιμή που προκύπτει συγκρίνεται με την αποθηκευμένη τιμή στόχο. Σε περίπτωση μέτρησης, η μετρούμενη τιμή συγκρίνεται με τις σωστές τιμές και ανοχές.

Κατά τον έλεγχο ενός αλφαριθμητικού κωδικού, η τιμή κειμένου OCR συγκρίνεται με τη σωστή ή την τιμή στόχο. Για να ελέγξετε για ελαττώματα επιφάνειας, το μέγεθος του ελαττώματος μπορεί να συγκριθεί με το μέγιστο μέγεθος που επιτρέπεται από τα πρότυπα ποιότητας.

Ελεγχος ποιότητας

Η μηχανική όραση έχει τεράστιες δυνατότητες στη βιομηχανία. Αυτά τα συστήματα τεχνητής όρασης έχουν χρησιμοποιηθεί στη ρομποτική, μας επιτρέπουν να προσφέρουμε μια αυτόματη λύση για διαφορετικά στάδια παραγωγής, όπως ποιοτικό έλεγχο ή ανίχνευση ελαττωματικών προϊόντων.

Ο ποιοτικός έλεγχος είναι ένα σύνολο μεθόδων και εργαλείων που θα μας επιτρέψουν να εντοπίσουμε σφάλματα στη διαδικασία παραγωγής, καθώς και να λάβουμε τα κατάλληλα μέτρα για την εξάλειψή τους. Αυτό παρέχει πολύ πιο ολοκληρωμένο έλεγχο του τελικού προϊόντος, διασφαλίζοντας ότι όταν φτάσει στον καταναλωτή θα πληροί συγκεκριμένα και καθιερωμένα πρότυπα ποιότητας.

Με αυτόν τον τρόπο, προϊόντα που δεν πληρούν τις ελάχιστες απαιτήσεις ποιότητας αποκλείονται από τη διαδικασία, εξαλείφοντας έτσι πιθανές διαταραχές στην παραγωγική διαδικασία, κάτι που επιτυγχάνεται με συνεχείς ελέγχους και τυχαίες δοκιμές.

Η χρήση ποιοτικού ελέγχου στην παραγωγή έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα:

• Αύξηση παραγωγικότητας.
• Μειωμένες υλικές απώλειες.
• Πτώση τιμής?
• Η καλύτερη ποιότητα του τελικού προϊόντος.

Επικοινωνία στην όραση υπολογιστή

Μόλις ληφθούν από τον επεξεργαστή και το λογισμικό, αυτές οι πληροφορίες μπορούν να μεταδοθούν στο σύστημα ελέγχου μέσω μιας ποικιλίας βιομηχανικών τυπικών πρωτοκόλλων επικοινωνίας.

Τα κύρια συστήματα υπολογιστικής όρασης συχνά υποστηρίζουν EtherNet/IP, Profinet και Modbus TCP. Τα σειριακά πρωτόκολλα RS232 και RS485 είναι επίσης κοινά.

Η ψηφιακή I/O είναι συχνά ενσωματωμένη σε συστήματα ενεργοποίησης και απλοποιεί την αναφορά των αποτελεσμάτων. Διατίθενται επίσης πρότυπα επικοινωνίας όρασης υπολογιστή.

συμπέρασμα

Τα συστήματα τεχνητής όρασης έχουν μεγάλη ποικιλία εφαρμογών και μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικούς κλάδους και στις διαφορετικές ανάγκες κάθε γραμμής παραγωγής. Σήμερα, κάθε εταιρεία που κατασκευάζει προϊόντα με ένα συγκεκριμένο πρότυπο μπορεί να εκμεταλλευτεί την όραση υπολογιστή ως μέρος της διαδικασίας κατασκευής της.

Η κατανόηση των φυσικών αρχών και των δυνατοτήτων των συστημάτων τεχνητής όρασης μπορεί να είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό του κατά πόσον μια τέτοια τεχνολογία είναι κατάλληλη για μια διαδικασία παραγωγής σε μια συγκεκριμένη περίπτωση. Γενικά, ό,τι μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι, μπορεί να δει η κάμερα (άλλοτε περισσότερο, άλλοτε λιγότερο), αλλά η αποκωδικοποίηση και η μετάδοση αυτών των πληροφοριών μπορεί να είναι αρκετά περίπλοκη.