O que é a Visão por Computador?

A visão por computador utiliza máquinas para substituir o olho humano em medições e julgamentos. Um sistema de visão por computador utiliza produtos de visão por computador (i.e., dispositivos de captura de imagem, disponíveis em CMOS e CCD) para converter os objetos captados em sinais de imagem. Estes sinais são depois transmitidos para um sistema de processamento de imagem dedicado, que os converte em sinais digitais com base na distribuição de pixéis, brilho, cor e outras informações. O sistema de imagem realiza então diversas operações sobre estes sinais para extrair as características do alvo e, com base na informação resultante, controla o funcionamento do equipamento no local.

Componentes do sistema de visão:

1. Fonte de Iluminação

2. Lente

3. Câmara Industrial

4. Placa de captura/processamento de imagem

5. Sistema de processamento de imagem

6. Outros dispositivos externos

I. Câmaras

As câmaras industriais, também conhecidas como câmaras de vídeo, oferecem uma estabilidade de imagem superior, alta velocidade de transmissão e alta imunidade a interferências em comparação com as câmaras de consumo tradicionais. Atualmente, a maioria das câmaras industriais existentes no mercado baseia-se em chips CCD (Charge Coupled Device) ou CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Destes, o CCD é o sensor de imagem mais utilizado em visão por computador. Integra conversão fotoelétrica, armazenamento de carga, transferência de carga e leitura de sinal, tornando-o um dispositivo de imagem de estado sólido típico.

A característica distintiva do CCD é que utiliza carga como sinal, ao contrário de outros dispositivos que utilizam corrente ou tensão como sinal. Este tipo de dispositivo de imagem forma pacotes de carga através de conversão fotoelétrica, que são depois transferidos e amplificados por um impulso de acionamento para gerar o sinal de imagem.

Uma câmara CCD típica é constituída por uma lente ótica, um gerador de sinal de temporização e sincronização, um driver vertical e circuitos de processamento de sinal analógico/digital. Como dispositivo funcional, o CCD oferece vantagens em relação às válvulas de vácuo, como a ausência de burn-in, ausência de atraso, funcionamento a baixa tensão e baixo consumo de energia.

O desenvolvimento dos sensores de imagem CMOS surgiu no início da década de 1970. Com o avanço da tecnologia de fabrico de circuitos integrados de grande escala (VLSI) no início da década de 1990, os sensores de imagem CMOS sofreram um rápido crescimento.

Os sensores de imagem CMOS integram um conjunto de elementos fotossensíveis, um amplificador de sinal de imagem, um circuito de leitura de sinal, um circuito de conversão analógico-digital, um processador de sinal de imagem e um controlador num único chip. Também oferecem a vantagem de acesso aleatório programável a pixéis locais. Atualmente, os sensores de imagem CMOS são amplamente utilizados em aplicações de alta resolução e alta velocidade devido à sua excelente integração, baixo consumo de energia, alta velocidade de transmissão e ampla gama dinâmica.

Classificação:

Tudo tem os seus próprios padrões de classificação, e as câmaras industriais não são exceção.

Com base no tipo de chip, podem ser divididas em câmaras CCD e câmaras CMOS;

Com base nas características estruturais do sensor, podem ser divididas em câmaras de varrimento de linha e câmaras de varrimento de área;

Com base no método de digitalização, podem ser divididas em câmaras de digitalização entrelaçada e câmaras de digitalização progressiva;

Com base na resolução, podem ser divididas em câmaras de resolução padrão e câmaras de alta resolução;

Com base no método do sinal de saída, podem ser divididas em câmaras analógicas e câmaras digitais;

Com base na cor de saída, podem ser divididas em câmaras monocromáticas (preto e branco) e câmaras a cores;

Com base na velocidade do sinal de saída, podem ser divididos em câmaras de velocidade padrão e câmaras de alta velocidade;

Com base na gama de frequência de resposta, podem ser divididas em câmaras de luz visível (padrão), câmaras de infravermelhos e câmaras ultravioleta, entre outras.

Diferenças:

1. Desempenho estável e fiável e fácil instalação. A estrutura da câmara é compacta e durável, não se danifica facilmente, tem um longo tempo de funcionamento contínuo e pode ser utilizada em ambientes hostis. As câmaras digitais comuns não conseguem isso. Por exemplo, uma câmara digital de uso doméstico teria certamente dificuldades se funcionasse 24 horas por dia ou durante vários dias seguidos.

2. A sua velocidade do obturador é muito curta, permitindo captar movimentos a alta velocidade. Por exemplo, se fixar um cartão de visita às pás de um ventilador elétrico a rodar à velocidade máxima, definir uma velocidade do obturador adequada e captar uma imagem com uma câmara industrial, ainda será possível distinguir claramente a fonte no cartão. É impossível obter o mesmo efeito com uma câmara comum.

3. Os sensores de imagem utilizam a varredura progressiva, enquanto as câmaras comuns utilizam a varredura entrelaçada. O processo de produção de sensores de imagem com varrimento progressivo é complexo, resultando em baixos rendimentos e baixos volumes de envio. Poucas empresas em todo o mundo, como a Dalsa e a Sony, podem oferecer estes produtos, e são caros.

4.º A sua taxa de fotogramas é muito maior do que a das câmaras comuns. As câmaras industriais conseguem captar dez a centenas de fotogramas por segundo, enquanto as câmaras comuns conseguem captar apenas dois ou três fotogramas por segundo — uma diferença significativa.

5.º A saída são dados em bruto, geralmente com uma gama espectral mais ampla, tornando-os adequados para algoritmos de processamento de imagem de alta qualidade, como os utilizados em aplicações de visão por computador. As imagens captadas por câmaras comuns têm uma gama espectral adequada apenas para a visão humana e são comprimidas utilizando MJPEG, resultando numa baixa qualidade de imagem e numa análise e processamento deficientes.

6.º São mais caras que as câmaras padrão (DSCs).

Como escolher:

1.º Escolha uma câmara CCD ou CMOS dependendo da aplicação. As câmaras industriais CCD são utilizadas principalmente para a extração de imagens de objetos em movimento, como em sistemas de visão por computador para máquinas de posicionamento. No entanto, com o avanço da tecnologia CMOS, muitas máquinas de posicionamento estão também a adotar câmaras industriais CMOS. As câmaras industriais CCD são geralmente utilizadas em soluções de inspeção visual automatizada ou em indústrias. As câmaras industriais CMOS são cada vez mais populares devido ao seu baixo custo e baixo consumo de energia.

2.º Ao escolher a resolução, considere primeiro a precisão do objeto a observar ou a medir. Selecione uma resolução com base nessa precisão. Precisão dos pixéis da câmara = campo de visão unidirecional/resolução unidirecional da câmara. Portanto, resolução unidirecional da câmara = campo de visão unidirecional/precisão teórica. Se o campo de visão tiver 5 mm de comprimento e a precisão teórica for de 0,02 mm, então a resolução unidirecional = 5 / 0,02 = 250. No entanto, para aumentar a estabilidade do sistema, não é utilizado um único pixel para corresponder a um único valor de precisão de medição/observação. Geralmente, é selecionada uma ampliação de 4 ou superior. Portanto, a câmara requer uma resolução de eixo único de 1000, pelo que 1,3 milhões de pixels é suficiente.

Em seguida, considere a saída de uma câmara industrial. Para observação estereoscópica ou análise e reconhecimento de software de máquina, a alta resolução é útil. Para saída VGA ou USB, a observação num monitor depende da resolução do monitor. Mesmo uma câmara industrial de alta resolução é inútil se a resolução do monitor for insuficiente. A alta resolução também é útil para utilizar cartões de memória ou tirar fotografias.

3.º Correspondência da objetiva: o tamanho do chip do sensor deve ser menor ou igual ao tamanho da objetiva, e a montagem C ou CS também deve ser compatível (ou pode ser adicionado um adaptador).

4. Seleção da taxa de fotogramas da câmara: Ao medir objetos com movimento, escolha uma câmara industrial com uma taxa de fotogramas elevada. No entanto, em geral, quanto maior a resolução, menor a taxa de fotogramas.

II. Lente

Conhecimentos Básicos:

1. Combinação de lentes

Como escolher a lente certa? Ao escolher uma objetiva, precisa de selecionar uma que seja compatível com a interface da câmara e o tamanho do CCD. As lentes com encaixes C e CS são as mais comuns. As câmaras pequenas com encaixe CS para segurança estão a ganhar popularidade, enquanto a indústria das câmaras de segurança utiliza principalmente câmaras com encaixe C e combinações de lentes. Os tamanhos de CCD correspondentes no mercado variam geralmente entre 2/3 de polegada e 1/3 de polegada, dependendo da aplicação.

2. Intercambiabilidade

As lentes de montagem C podem ser utilizadas de forma intercambiável com as câmaras de montagem C e CS; as objectivas de montagem CS não podem ser utilizadas com câmaras de montagem C, apenas com câmaras de montagem CS.

3. Vinhetas

Quando uma câmara utiliza uma lente com um CCD pequeno, as áreas circundantes não captadas pela imagem aparecem pretas, uma condição conhecida como kerare.

4. Função da Lente:

O design de lentes envolve a trituração de diversos materiais com diferentes índices de refração em superfícies curvas de alta precisão e a combinação destes materiais. O seu princípio básico é uma técnica comum utilizada desde a época de Galileu. Para obter imagens ainda mais nítidas, estão a ser pesquisados ​​e desenvolvidos novos materiais e lentes asféricas.

3. Fontes de luz

Fontes de luz LED, lâmpadas de halogéneo (fontes de luz de fibra ótica) e lâmpadas fluorescentes de alta frequência. As fontes de luz LED são atualmente as mais utilizadas, oferecendo as seguintes características principais:

Podem ser fabricados em vários formatos, tamanhos e ângulos de iluminação;

Podem ser fabricados em várias cores, conforme a necessidade, e o brilho pode ser ajustado a qualquer momento;

O dispositivo de dissipação de calor proporciona uma melhor dissipação de calor e um brilho mais estável;

Têm uma longa vida útil;

Respondem rapidamente, atingindo o brilho máximo em 10 microssegundos ou menos;

A fonte de alimentação possui um gatilho externo, permitindo o controlo do computador, o arranque rápido e pode ser utilizada como luz estroboscópica;

Os LED oferecem baixos custos operacionais e uma longa vida útil, oferecendo vantagens significativas em termos de custo global e desempenho;

Os projetos personalizados podem ser adaptados às necessidades do cliente.

As fontes de luz LED podem geralmente ser categorizadas por formato:

1. Fontes de Luz em Anel: As fontes de luz em anel oferecem diferentes ângulos de iluminação e combinações de cores, realçando os detalhes tridimensionais dos objetos. Apresentam também matrizes de LED de alta densidade para alto brilho, uma variedade de designs compactos e instalação que poupa espaço. Abordam também problemas de sombreamento diagonal. Os difusores opcionais proporcionam uma distribuição uniforme de luz. As aplicações incluem a inspeção de substrato de PCB, inspeção de componentes de CI, iluminação de microscópio, calibração de LCD, inspeção de recipientes de plástico e inspeção de impressão de circuitos integrados. 2. A luz de fundo utiliza uma matriz de LED de alta densidade para fornecer uma iluminação de fundo de alta intensidade, destacando os contornos e as características do objeto, tornando-a particularmente adequada para utilização como platina de microscópio. As retroiluminação vermelha e branca de utilização dupla, bem como as retroiluminação vermelha e azul multiusos, podem ser configuradas para produzir cores diferentes para satisfazer os requisitos multicoloridos de diferentes objetos de teste. As aplicações incluem: medição dimensional de peças mecânicas, inspeção de aparência de componentes eletrónicos e CIs, deteção de manchas em filmes e deteção de riscos em objetos transparentes.

3.º Fonte de luz em barra: As fontes de luz em barra são a fonte de luz preferida para estruturas quadradas de maiores dimensões. As cores podem ser combinadas livremente para satisfazer requisitos específicos, e o ângulo de iluminação e a montagem são ajustáveis. As aplicações incluem: inspeção de superfícies metálicas, digitalização de imagens, deteção de fissuras em superfícies e inspeção de painéis LCD.

4. Fonte de Luz Coaxial: As fontes de luz coaxial eliminam as sombras causadas por irregularidades da superfície, reduzindo assim a interferência. Algumas utilizam um design de divisor de feixe para minimizar a perda de luz, melhorar a nitidez da imagem e proporcionar uma iluminação uniforme da superfície. Aplicações: Esta série de fontes de luz é ideal para a inspeção de riscos em superfícies altamente refletoras, como metal, vidro, película e wafers; deteção de quebra de chips e wafers de silício; localização de marcas; e reconhecimento de código de barras de embalagens.

5. Fonte de luz específica para AOI: Iluminação tricolor em diferentes ângulos que realça a informação tridimensional da soldadura. Um difusor direciona a luz para reduzir os reflexos. Diferentes combinações de ângulos estão disponíveis. Aplicações: Utilizada para inspeção de soldadura em placas de circuito.

6. Fonte de luz integradora esférica: A superfície interna de uma esfera hemisférica com efeito integrador reflete uniformemente a luz emitida pela parte inferior a 360 graus, garantindo uma iluminação uniforme em toda a imagem. Aplicações: Adequado para inspecionar superfícies curvas, irregulares e curvas, bem como superfícies de metal e vidro altamente refletoras.

7. Fonte de luz linear: Brilho ultra-elevado, utilizando uma lente cilíndrica para focar a luz, tornando-a adequada para inspeção contínua em diversas linhas de montagem. Aplicações: Dedicada à iluminação de câmaras matriciais e AOI. 8. Fonte de luz pontual LED de alta potência, tamanho compacto e alta intensidade luminosa. É uma alternativa às lâmpadas de halogéneo de fibra ótica, particularmente adequada como fonte de luz coaxial para lentes. A sua eficiente dissipação de calor prolonga significativamente a vida útil da fonte de luz. Aplicações: Adequado para utilização com lentes telecêntricas, inspeção de aparas, localização de marcas e alinhamento de substratos de vidro de wafer e LCD.

9. Fonte de Luz de Barra Combinada: Distribuição da luz de barra em quatro lados, cada um com iluminação controlável de forma independente. O ângulo de iluminação necessário pode ser ajustado para se adequar ao objeto em teste, oferecendo uma vasta gama de aplicações. As aplicações incluem a inspeção de substrato de circuito integrado, inspeção de componentes de circuito integrado, inspeção de soldadura, localização de marcas, iluminação de microscópio, iluminação de código de barras de embalagens e iluminação de objetos esféricos.

10. Fonte de Luz de Alinhamento: Alinhamento rápido, amplo campo de visão, alta precisão, tamanho compacto para fácil inspeção e integração, alto brilho e uma fonte de luz auxiliar em anel opcional. Aplicações: A fonte de luz da série VA foi concebida especificamente para alinhamento em impressoras de placas de circuito totalmente automáticas. 4. Seleção da fonte de luz

1. Informações pré-requisitos

(1) Conteúdo da inspeção: Inspeção de aparência, OCR, medição de dimensão, posicionamento

(2) Objeto

O que quer ver? (Materiais estranhos, riscos, defeitos, marcas, formas, etc.)

Estado da superfície (espelho, superfície rugosa, superfície curva, superfície plana)

Tridimensional? Superfície plana?

Material, cor da superfície

Campo de visão?

Dinâmico ou estático (velocidade do obturador da câmara)

(3) Restrições

Distância de trabalho (distância da parte inferior da lente à superfície do objeto a medir)

Condições de configuração (tamanho da iluminação, distância da parte inferior da iluminação à superfície do objeto a medir, refletor ou transmissivo)

Ambiente (temperatura, luz difusa exterior)

Tipo de câmara: matriz de área ou matriz linear

2.º Conhecimento preliminar simples:

(1) Devido aos diferentes materiais e espessuras, as características de transmissão de luz (transparência) variam. (2) A capacidade da luz penetrar nos materiais (transmitância) varia de acordo com o comprimento de onda. (3) Quanto maior for o comprimento de onda da luz, maior será a sua capacidade de penetrar no material. Quanto menor for o comprimento de onda da luz, maior será a sua taxa de difusão na superfície do material. (4) A iluminação transmitida é um método de transmissão de luz através do objeto e de observação da luz transmitida.

3.º Fonte de luz:

Uma fonte de luz estável e uniforme é extremamente importante

Objectivo: Distinguir o objecto em teste do fundo o mais claramente possível

Ao captar uma imagem, o mais importante é como obter com nitidez: a diferença de claro e escuro entre o objeto em teste e o fundo

Atualmente, o método técnico mais utilizado na área do processamento de imagem é o processamento de binarização (branco e preto). Para destacar pontos característicos e imagens características, os métodos de iluminação normalmente utilizados incluem o campo claro e o campo escuro.

Campo claro: utilize luz direta para observar todo o objeto (a luz dispersa parece preta)

Campo escuro: utilize luz difusa para observar todo o objeto (a luz direta parece branca). O método específico de seleção da fonte de luz depende ainda da experiência prática na experiência.