Ewolucja systemów wizyjnych

Systemy wizyjne monitoring, których historia stosowania w automatyce sięga ponad trzydziestu lat, pozwalają na wykonywanie pomiarów bezdotykowych oraz zaawansowany nadzór nad procesem produkcyjnym. Chociaż istnieje wiele korzyści z ich stosowania, monitoring i ich systemy przez wiele lat były one postrzegane jako niełatwe w implementacji i stwarzające szereg problemów. Nowe generacje urządzeń wchodzących w skład systemów wizyjnych, jak też postęp w dziedzinie stosowanego oprogramowania, powodują, że ten niekorzystny wizerunek staje się przeszłością.
Systemy wizyjne (machinę vision) mogą być stosowane na różnych etapach procesów produkcyjnych i pozwalają na wykonywanie szybkiej inspekcji i pomiarów produkowanych wyrobów. Odpowiednio zaprojektowany i wdrożony system wizyjny jest często również kluczowym elementem systemu kontroli jakości i daje gwarancję poprawności procesu produkcyjnego.
Większość systemów wizyjnych składa się z układu służącego do umieszczenia obiektu w polu widzenia kamery, czujnika part-in-place, którego zadaniem jest wykrycie obecności obiektu w danym miejscu, elementów oświetlających oraz, co najistotniejsze - kamery oraz komputera odpowiadającego za przetwarzanie danych. Rozwój technologii systemów wizyjnych, o którym była mowa wcześniej, nastąpił w zasadzie w przypadku wszystkich wyżej wymienionych elementów.

SZTUCZNA INTELIGENCJA?
Chociaż elementom wchodzącym w skład systemów wizyjnych nie można przypisać cech sztucznej inteligencji, cechują się one znacznie większym zaawansowaniem technologicznym niż dawniej, co ma istotny wpływ na jakość działania tych systemów. Przykładem są czujniki part-in--place, którymi dzisiaj nie są już proste fotokomórki. Obecnie stosowane podzespoły są często dostosowywane do rodzaju powierzchni produkowanych obiektów - np. matowej lub refleksyjnej, a niektóre z czujników wyposażane są w zaawansowane układy elektroniczne do przetwarzania danych. Pozwala to na wykonywanie wstępnej selekcji obiektów, co wiąże się z prostą analizą obrazu. Wykonywane przy tym mogą być takie zadania, jak np. detekcja i sortowanie obiektów o różnych kolorach.
Znaczący postęp nastąpił również w dziedzinie wykorzystywanych kamer. Wykorzystywane dawniej kamery zapożyczane były z systemów monitoringu oraz telewizji i nie zawsze nadawały się do szybkich i dokładnych pomiarów obiektów, monitoring w szczególności pomiarów małych elementów lub odczytu nadruków. Zostały one zastąpione specjalnie zaprojektowanymi na potrzeby systemów wizyjnych szybkimi kamerami, rejestrującymi nawet do kilkuset obrazów na sekundę i dostarczającymi obraz o wysokiej jakości. Przykładem nowoczesnej kamery jest ważąca niewiele ponad jedną trzecią kilograma inteligenta kamera Impact T22 firmy PPT Vision. Kamera wyposażona jest w przetwornik CCD o przekątnej 1/2\" i dostarcza obrazów o rozdzielczości 640 x 480 pikseli przy szybkości rejestracji 60 klatek na sekundę. Inteligencję kamery stanowi układ z procesorem dedykowanym do przetwarzania obrazu - operacje wykonywane są z szybkością ponad 1300 MIPS (milionów operacji na sekundę). Takie rozwiązanie eliminuje konieczność stosowania oddzielnego, dedykowanego do tego celu sprzętu komputerowego. Alternatywą dla „komputera wizyjnego\" wbudowanego w kamerę jest wykorzystanie do tego celu oddzielnego komputera klasy PC. Zaletą tego rozwiązania jest większa moc obliczeniowa oraz szeroka gama dostępnego oprogramowania, a także możliwość łatwego stworzenia oprogramowania dedykowanego do konkretnych potrzeb. W przypadku zaawansowanych zastosowań monitoring, w których wymagany jest przepływ danych w megabajtach na sekundę, stosowane są rozwiązania sprzętowe wykorzystujące procesory sygnałowe DSP i układy FPGA. Warto również zauważyć, że prostsze komputery wizyjne posiadają zazwyczaj jedno lub dwa wejścia służące do wyzwalania „pobierania\" obrazu i dwa, trzy wyjścia do sterowania sortowaniem elementów. W przypadku bardziej zaawansowanych urządzeń mamy do czynienia z większą liczbą linii wejścia/wyjścia oraz komunikacją poprzez porty Ethernet, FireWire czy USB.

LEPSZE OPROGRAMOWANIE
Poza postępem w dziedzinie sprzętu, rozwojowi podlega także oprogramowanie do rozpoznawania obrazów, a w szczególności wykorzystywane w nim algorytmy. Szczególne znaczenie ma algorytm pozwalający na detekcję kształtów lub elementów obrazu. Tego typu algorytm musi być szybki, dokładny i elastyczny. Wyjaśnienia wymaga tutaj słowo „elastyczny\", które oznacza możliwość ignorowania akceptowalnych odchyłek, np. w kształtach obiektów poddawanych inspekcji - żadne dwa elementy produkowane elementy nie są bowiem idealnie takie same. System z algorytmem określanym jako elastyczny powinien być też odporny na takie zjawiska, jak zmiana warunków oświetlenia lub nieoczekiwane pojawienie się pewnych elementów, jak chociażby ręka operatora, w polu widzenia kamery. Zastosowanie oprogramowania z zaawansowanymi algorytmami przekłada się na łatwość jego wdrożenia. Redukowany jest bowiem wysiłek niezbędny do choćby precyzyjnego ustawienia obiektów lub kontrolowania warunków oświetleniowych. Najnowszym trendem w omawianej dziedzinie jest stosowanie oprogramowania wizyjnego dedykowanego do konkretnych typów zastosowań. Przykładowo do inspekcji wymagającej wiele ujęć danej części firma Dalsa Coreco (www.coreco.com) dostarcza system iLabel, natomiast do kontroli etykietek na pudełkach, butelkach czy puszkach - oprogramowania iLabel. Tego typu specjalizacja pozwala na prostsze i szybsze dostosowywanie systemów wizyjnych do konkretnych aplikacji. Dużym ułatwieniem w dziedzinie wdrażania systemów wizyjnych stało się również wykorzystanie oprogramowania umożliwiającego tworzenie aplikacji w językach graficznych. Programowanie sprowadza się w części do łączenia ze sobą odpowiednich elementów graficznych - przykładem takiego pakietu jest WiT firmy Dalsa Coreco. Pozwala on na szybsze tworzenie aplikacji niż w przypadku klasycznego kodowania w oparciu o biblioteki funkcji. Należy jednak zaznaczyć, że ten drugi scenariusz jest nieunikniony w przypadku bardziej zaawansowanych aplikacji systemów wizyjnych. Oprogramowanie przeznaczone do zastosowań monitoring.

Systemy wizyjne w produkcji elektroniki
Automatyczna inspekcja optyczna, w której stosowane są zautomatyzowane systemy wizyjne,monitoring odgrywa bardzo dużą rolę w przemyśle elektronicznym. Urządzenia do inspekcji ustawiane są często w linii produkcyjnej, na różnej jej etapach i służą m.in. do kontroli ułożenia elementów na płytce drukowanej (przed procesem lutowania) lub do kontroli gotowego pakietu (na końcu linii produkcyjnej). Jedną z największych korzyści wiążących się z zastosowaniem systemów wizyjnych jest fakt, że inspekcja lub pomiar wykonywane są bezdotykowe Daje to gwarancję, że podczas testowania kontrolowane elementy nie zostaną uszkodzone. Wykorzystanie systemów wizyjnych w produkcji elektroniki wiąże się również z wyzwaniami dla ich producentów. Przykładem są skutki obowiązywania przepisów dyrektywy RoHS (o ograniczeniu użycia substancji niebezpiecznych w sprzęcie elektrycznych i elektronicznym), które stały się obowiązującym prawem od lipca bieżącego roku. Wprowadzenie tych przepisów wymusiło m.in. stosowanie stopów lutowniczych wolnych od ołowiu, których cechy optyczne (refleksyjność) są inne od stosowanych dotychczas lutowi z ołowiem. Stopy tego typu są znacznie bardziej matowe niż te zawierające ołów, co może być istotną przeszkodą wykorzystania istniejących systemów automatycznych inspekcji wizyjnej do testowania nowych pakietów elektronicznych. W wielu przypadkach producenci elektroniki i firmy wykonujące montaż na zlecenie zdecydowali się na modernizację posiadanych systemów wizyjnych, jak też wielu kupiło nowe urządzenia tego typu.

Do czego stosowane są automatyczne systemy kontroli wizyjnej?
- kontrola jakości produktów
- sterowanie w procesach przemysłowych
- odczyt kodów paskowych
- kontrola poprawności montażu
- identyfikacja obiektów, rozpoznawanie oznaczeń
- ocena jakości powierzchni obiektów
- wykrywanie wad ułożenia i kształtu
- zliczanie i sortowanie obiektów

rozwijają również duże koncerny, traktując je jako jeden z elementów swojej oferty. Przykładem jest firma National Instruments oferująca wprowadzony na początku tego roku pakiet do analizy obrazu - NI Vision 8. Oprogramowanie zawiera kilkaset funkcji do analizy obrazu i sterowania, w tym moduły pozwalające na obsługę wielu kamer. Kamery mogą być podłączane tradycyjnie, na przykład poprzez port szeregowy, jak też przez USB oraz FireWire. Pakiet pozwala na tworzenie oprogramowania aplikacyjnego w LabVIEW, .NET, Microsoft C++ oraz Visual Basic.

JESZCZE TYLKO DOBRZE OŚWIETLIĆ ... Kluczowe dla odpowiedniego działania w systemach wizyjnych jest odpowiednie oświetlenie produktów. Musi ono z jednej strony uwypuklać cechy istotne dla procesu inspekcyjnego, z drugiej strony minimalizować zjawiska i efekty mogące zakłócać ten proces. Przykładowo, jeżeli zachodzi potrzeba identyfikacji i policzenia małych obiektów na większej powierzchni, można zastosować oświetlenie po kątem prawie równoległym do danej powierzchni. Powoduje to, że sama powierzchnia będzie ciemna, a elementy będą się wyróżniały na jej tle, co oczywiście ułatwi proces ich identyfikacji. Na szczęście w doborze odpowiedniego oświetlenia do konkretnych zastosowań z pomocą przychodzą zazwyczaj producenci podzespołów tego typu, którzy współpracują z dostawcami systemów wizyjnych. Nie jest więc wymagana w tym przypadku ekspertyza ze strony samych użytkowników tych systemów. Dzięki szybkiemu postępowi w dziedzinie technologii LED, dodatkowo upowszechnia się stosowanie tych niedrogich i niezawodnych źródeł światła. Obecnie kamery stosowane w systemach wizyjnych są coraz częściej wyposażane we własne źródło światła, często w postaci pierścienia diod LED, co ułatwia ich zastosowanie, redukując potrzebę stosowania dodatkowego źródła światła.

RENTGEN I PROMIENIOWANIE CIEPLNE
Na zakończenie warto wspomnieć, że w przypadku produkcji złożonych elementów, takich jak np. podzespoły i układy elektroniczne czy wielowarstwowe płytki drukowane, klasyczne metody inspekcji mogą być bezużyteczna. Z pomocą przychodzą w tym przypadku techniki oparte o wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego i promieniowania cieplnego. Porównywanie uzyskanych z ich wykorzystaniem obrazów ze wzorcem przypominać może jednak, pod względem stopnia złożoności, rozpoznawanie autentyczności podpisu. Powracającym problem jest w tym przypadku znalezienie odpowiednich kryteriów decyzyjnych, które spowodują, że system nie będzie odrzucał produktów dobrych, jednocześnie przepuszczając wadliwe. W zależności od zastosowań jedno z dwóch kryteriów przeważnie odgrywa rolę decydującą. Należy przy tym brać pod uwagę fakt, że zwiększenie jakości (precyzji) kontroli wiąże się z koniecznością gromadzenia większej ilości danych, co często przekłada się na rejestrowanie większej liczby obrazów lub obrazów o większej rozdzielczości. Oznacza to wydłużenie czasu inspekcji, szczególnie w przypadku korzystania z testerów wykorzystujących detektory promieniowania rentgenowskiego lub cieplnego. W tym przypadku należy również podjąć decyzję, czy ważniejsza jest przepustowość procesu kontroli czy jego dokładność.

CZEGO CHCĄ KLIENCI
W miarę rosnących wymagań związanych z niezawodnością i jakością produktów, monitoring odpowiedni nadzór nad procesem produkcyjnym nabiera znaczenia kluczowego. Coraz większa łatwość stosowania systemów wizyjnych w połączeniu z rosnącą dostępnością wykorzystywanych w nich urządzeń sprawia, że monitoring przed tym rodzajem systemów automatyki przemysłowej rysuje się coraz lepsza przyszłość. Tym, co z pewnością ułatwia wdrażanie systemów wizyjnych, jest ich standaryzacja. Dobrze znane interfejsy mechaniczne i elektryczne ułatwiają proces stosowania projektowania i wdrażania tych systemów. Poza tym dzięki standaryzacji dużo bardziej przejrzyste stają się możliwości samego systemu, co ułatwia komunikację między jego użytkownikiem, dostawcami i inżynierami tworzącymi aplikacje programowe - monitoring. Bazując na wynikach licznych ankiet dotyczących wymagań klientów, można uznać, że kluczowe są dla nich osiągi oraz łatwość użytkowania systemów wizyjnych. Klienci wymagają również od dostawców wsparcia technicznego i chcą, aby oferta była kompleksowa. Innymi słowy, preferują zakup zarówno sprzętu, jak i oprogramowania od jednej firmy, co gwarantuje kompatybilność tych elementów. Co ciekawe, niska cena systemu jest wymieniana jako jeden z ostatnich czynników, który decyduje o wyborze konkretnego rozwiązania. Potwierdza to wcześniej prezentowaną myśl, że systemy wizyjne mają przede wszystkim dobrze spełniać swoje zadania, a klienci są w stanie za takie rozwiązania odpowiednio zapłacić.

źródło - apa grudzień 2006 Marek Krajewski, Zbigniew Piątek