Print

Co je to počítačové vidění a jak může pomoci?

-- 12.03.19

Pochopit, jak funguje počítačové vidění, vám pomůže rozpoznat, zda počítačové vidění vyřeší konkrétní aplikační potíže ve výrobě nebo zpracování. 

Lidé často nemají jasno v tom, co počítačové vidění může a nemůže udělat pro výrobní linku nebo proces. Pochopit, jak funguje, může pomoci lidem rozhodnout se, zda to vyřeší problémy v dané aplikaci. Co přesně tedy počítačové vidění je a jak vlastně funguje?

Počítačové vidění znamená používání kamery nebo více kamer pro kontrolu a analýzu objektů automatickým způsobem, obvykle v prostředí průmyslu nebo výroby. Získaná data je pak možno použít pro řízení procesů nebo výrobní činnosti. Typickým použitím může být montážní linka, kdy se po operaci provedené na dílu spustí kamera, která pořídí a zpracuje snímek. Kamera může být naprogramována, aby kontrolovala pozici určitého předmětu, jeho barvu, velikost či tvar nebo zda je objekt přítomen či není. Může také vyhledat a dekódovat standardní 2D maticové čárové kódy nebo i číst tištěné znaky.

Po kontrole produktu je obvykle generován signál, jenž určuje, co udělat s produktem dále. Díl může být vyřazen do kontejneru, nasměrován na odbočný dopravník anebo předán do dalších montážních operací, přičemž výsledky kontroly jsou sledovány v systému. Systémy počítačového vidění mohou v každém případě poskytovat mnohem více informací o objektu než jednoduché senzory absence/přítomnosti.

Počítačové vidění se typicky využívá například pro: 

  • zajištění kvality,
  • navádění robotu/stroje,
  • testování a kalibraci,
  • řízení procesů v reálném čase,
  • sběr dat,
  • monitorování strojů,
  • třídění/počítání. 

Mnoho výrobců využívá automatizované počítačové vidění namísto inspekčních pracovníků, protože je vhodnější pro repetitivní inspekční úkony. Je rychlejší, objektivnější a pracuje nepřetržitě. Systémy počítačového vidění mohou kontrolovat stovky i tisíce dílů za minutu a poskytují konzistentnější a spolehlivější výsledky inspekce než lidé.

Omezením vad, zvýšením výnosů, usnadněním dodržování předpisů a sledováním dílů pomocí počítačového vidění mohou výrobci ušetřit peníze a zvýšit svou ziskovost. 

Analogie k počítačovému vidění

Diskrétní fotobuňka je jedním z nejjednodušších senzorů v oblasti průmyslové automatizace. Důvodem, proč ji označujeme jako „diskrétní“ nebo digitální, je to, že má pouze dva stavy: zapnuto nebo vypnuto (obrázek 1).

Principem difuzní fotobuňky je vysílání světelného paprsku a detekce, zda se světlo odrazilo od nějakého objektu. Jestliže objekt není přítomen, do přijímače fotobuňky se žádné světlo neodrazí. K přijímači je připojen elektrický signál, obvykle 24 V. Jestliže je objekt přítomen, signál se zapne a lze jej použít v řídicím systému k uskutečnění nějakého úkonu. Když je objekt odstraněn, signál se opět vypne. Difuzní fotobuňka může být také analogová. Namísto pouze dvou stavů, tj. vypnuto a zapnuto, může vracet hodnotu označující, jak mnoho světla se vrací do jejího přijímače. V případě fotobuňky zobrazené na obrázku 2 může vracet 256 hodnot, od 0 (znamenající žádné světlo, tmu nebo černou barvu) do 255 (znamenající mnoho světla nebo bílou barvu). Fotobuňka na levé straně vrací hodnotu 76 neboli tmavě šedou. To je asi 30 % maximální hodnoty 255. Dostane-li se před senzor světlejší objekt, vrátí vyšší hodnotu. Jestliže je výsledkem 217, což je asi 85 % plného rozsahu 255, znamená to mnohem světlejší odstín šedé.

Představte si tisíce maličkých analogových fotobuněk uspořádaných do čtvercového nebo obdélníkového pole nasměrovaného na objekt. Vytvořil by se tím snímek objektu ve škále černé a bílé na základě odrazivosti místa, na které senzor míří.

Individuální snímané body v těchto snímcích jsou označovány jako „pixely“. Pro vytvoření snímku se samozřejmě nepoužívají tisíce drobných fotoelektrických senzorů. Namísto toho čočka soustředí obraz na polovodičovou matici světelných detektorů. V této matici jsou používána pole světlocitlivých polovodičových zařízení typu CCD (Charge Coupled Device) nebo CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Individuální senzory v této matici jsou pixely.

Série snímků na obrázku 3 je jenom malou výsečí snímku zachyceného kamerou. Tato oblast je považována za „oblast zájmu“ u konkrétní inspekce.

Počítačové vidění může používat barevné snímání pixelů a často využívá mnohem větší pole pixelů. Na zachycené snímky jsou aplikovány softwarové nástroje, které určí rozměry, umístění okrajů, pohyb a relativní pozici prvků vůči sobě. (Obrázek 4 znázorňuje snímek CCD.) 

Čtyři hlavní komponenty systému počítačového vidění

Čtyřmi hlavními součástmi systému počítačového vidění jsou objektivy a osvětlení, obrazový senzor nebo kamera, procesor a metoda pro komunikaci výsledků, ať už fyzickým připojením vstupu/výstupu (I/O), nebo jinou metodou komunikace.

Objektivy zachycují snímek a prezentují jej senzoru ve formě světla. Pro optimalizaci systému počítačového vidění musí být kamera spárována s vhodnými objektivy. Ačkoli existuje mnoho typů objektivů, aplikace počítačového vidění obvykle využívají objektivy s pevnou ohniskovou vzdáleností.

Při výběru jsou důležité tři faktory: 

  1. zorné pole,
  2. pracovní vzdálenost,
  3. velikost senzoru kamery. 

Aplikovat na snímek osvětlení lze mnoha různými způsoby. Směr, kterým světlo přichází, jeho jas a jeho barva neboli vlnová délka v porovnání s barvou cíle jsou velmi důležitými faktory, které je nutno zvážit při navrhování prostředí pro počítačové vidění. I když je osvětlení důležitou součástí získání dobrého snímku, existují další dva faktory ovlivňující, jak mnoho světelné expozice snímek dostává. Součástí objektivu je nastavení označované jako clona, která se otevírá nebo zavírá, aby do objektivu proniklo více nebo méně světla. V kombinaci s dobou expozice to určuje množství světla dopadajícího na pole pixelů, ještě než je vůbec aplikováno osvětlení. Uzávěrka neboli doba expozice určuje, jak dlouho je obraz promítán na pole pixelů. U počítačového vidění je uzávěrka řízena elektronicky, obvykle v řádu milisekund.

Po zachycení snímku jsou aplikovány softwarové nástroje. Některé jsou aplikovány před analýzou (předběžné zpracování), zatímco jiné se používají pro určení vlastností zkoumaného objektu. Ve fázi předběžného zpracování mohou být na snímek aplikovány efekty pro zaostření okrajů, zvýšení kontrastu nebo vyplnění prostor. Smyslem těchto úkonů je zvýšit schopnosti dalších softwarových nástrojů.

Cíl počítačového vidění

Níže uvádíme některé běžné nástroje, které lze použít pro získání informací o cíli: 

  • Počítání pixelů: Stanovuje počet světlých nebo tmavých pixelů v objektu.
  • Detekce okrajů: Nalezení okrajů objektu.
  • Měření/metrologie: Měření rozměrů objektu (například v pixelech, palcích nebo milimetrech).
  • Rozpoznávání vzorů nebo shoda s šablonou: Hledání, určování shody nebo počítání určitých vzorů. To může zahrnovat lokalizaci objektu, který může být pootočený, částečně zakrytý jiným objektem nebo mít různé 
  • Optické rozpoznávání znaků (OCR): Automatizované čtení textů, například sériových čísel.
  • Čtení čárového kódu, datové matice a „2D čárového kódu“: Získávání dat obsažených v různých standardech čárového kódování.
  • Detekce a extrakce skvrn (blobů): Kontrola snímku na přítomnost diskrétních skvrn propojených pixelů (například černého otvoru v šedém objektu) jakožto orientačního bodu snímku.
  • Analýza barvy: Identifikace dílů, produktů a položek pomocí barvy, posouzení kvality a izolování prvků pomocí barvy. 

Účelem získávání dat při kontrolách je často využít je pro porovnání oproti cílovým hodnotám k určení výsledku „vyhovuje/nevyhovuje“ nebo „pokračovat/nepokračovat“. Například při ověřování kódu nebo čárového kódu se načtená hodnota porovnává s uloženou cílovou hodnotou. V případě měření se naměřená hodnota porovnává se správnými hodnotami a tolerancemi.

Při ověřování alfanumerického kódu se hodnota textu OCR porovnává se správnou nebo cílovou hodnotou. U kontroly povrchových vad se naměřená velikost vady může porovnávat s maximálním rozměrem povoleným kvalitativními normami. 

Komunikace u počítačového vidění

Po získání informací pomocí procesoru a softwarových nástrojů mohou být tyto informace předávány řídicímu systému prostřednictvím mnoha standardních průmyslových komunikačních protokolů. Významné systémy počítačového vidění často podporují protokoly EtherNet/IP, Profinet a Modbus TCP. Běžné jsou také sériové protokoly RS232 a RS485. Do systémů jsou často zabudovány digitální I/O pro spouštění a jednoduché vykazování výsledků.

K dispozici jsou také standardy komunikace počítačového vidění. Pochopení fyzikálních principů a možností systémů počítačového vidění může být užitečné při určení, zda je aplikace vhodná pro systémy na bázi kamer. Obecně platí, že cokoli může vidět lidské oko, to může vidět i kamera (někdy více, někdy méně), avšak dekódování a předávání těchto informací může být komplikované. Spolupráce s dodavatelem se zkušenostmi s těmito systémy, osvětlením a metodami vám může v dlouhodobém horizontu ušetřit spoustu času a peněz. 

Frank Lamb je zakladatel společnosti Automation Consulting LLC, tvůrce blogu Automation Primer a člen redakčního poradního sboru časopisu Control Engineering. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, mhoske@cfemedia.com.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Factory Tour 2019
2019-09-24 - 2019-09-26
Místo: ČR, SK
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Konference DOCURIDE 2019 „Nejlepší mix pro Váš úspěch"
2019-10-03 - 2019-10-03
Místo: Hotel Park Holiday, Praha
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI