Loading...

Машинное зрение: типы камер и применение

Машинное (техническое) зрение очень похоже на наше человеческого зрение - системе нужно увидеть объект, обработать изображение, получив с него нужную информацию, и управлять процессом. Если говорить в терминах, то "машинное зрение" - это одна из областей компьютерного зрения, нацеленная на решение промышленных задач с целью автоматизации, роботизации и аналитики. Совмещая в себе многие науки из оптики, фотоэлектроники, микропроцессорной техники, программирования и глубокого обучения машинное зрения является высокотехнологичным направлением развития искусственного интеллекта.

Целью машинного зрения является получение изображения от объектов реального мира, их обработка программными средствами и выдача результата для последующего управления технологическим процессом.

Автоматизация производства позволяет ускорить многие процессы, удешевить производство и значительно снизить влияние человеческого фактора на продукцию. Одним из самых сложных направлений автоматизации современных производств является машинное зрение. Перед ним стоят задачи по оптимизации сложных и скоростных производственных процессов, уменьшению негативного влияния человеческого фактора, 100% контролю продукции и т.д. Сегодня системы машинного зрения активно внедряют многие заводы и лаборатории, крупные предприятия и научно-исследовательские центры, города и метрополитены. Чаще всего камеры машинного зрения используют для проверки, оценки и измерения контрольных показателей и распознавания маркировки.


Принцип работы

Машинное зрение по принципу работы действительно очень схоже с человеческим зрением, но значительно обходит его по скорости реакции, возможностям и надежности работы.

  • СВЕТ: Для того чтобы что-то увидеть человеку нужен свет, камерам машинного зрения тоже нужна качественная подсветка объекта съемки.
  • ОПТИКА: У нас с вами уже есть от природы два глаза, позволяющие сфокусироваться на объекте - у камеры это индустриальный объектив - его нужно "навести" на исследуемый объект.
  • КАМЕРА: За чувствительность к свету и цвету у человеческого глаза отвечает сетчатка, в промышленной видеокамере  - матрица из фотоэлементов, которая установлена внутри камеры.
  • ПК: У человека сигнал от глаза должен перейти в мозг по зрительному нерву, в машинном зрении эту функцию выполняет кабель и индустриальный ПК - переносит изображение с камеры далее в ПО.
  • ПО: Вершиной магии является в случае человека - его мозг, который с рождения обучается различать предметы, в индустриальных задачах - это специализированное программное обеспечение, которое с использованием алгоритмов высшей математики и нейронных сетей находит на изображение нужную информацию.
  • УПРАВЛЕНИЕ: Далее нужно управлять процессом на основе увиденного - наш мозг для этого начинает управлять руками/ногами для переключения режима работы установки - а ПК машинного зрения через промышленные интерфейсы передает нужную команду.
  • ВРЕМЯ ПРОЦЕССА: У человека (бодрого и отдохнувшего!) данные действия занимают более секунды, в машинном зрении на все операции выделяется не более 50 мс. Все процессы происходят автоматически, на больших скоростях. Сценарии и условия работы могут быть совершенно различными - в машинном зрении есть очень много решений для индустриальных задач. А наша лаборатория позволяет создать новые. 

Типы камер машинного зрения

Задачи машинного зрения настолько разные - что невозможно использовать даже один тип камеры, не говоря уж про модель, для решения задач. Однако построение системы машинного зрения принято начинать именно с камеры - и в зависимости от ее параметров и интерфейсов подбирать остальные элементы системы. 

  • 1D она же линейная. Сканирует предмет построчно и выдает собранный кадр из линий. Имеет большое разрешение и способна снимать на очень высоких скоростях. Используется в полиграфии и инспекции бесконечных материалов.
  • 2D или матричная. Самый обширный класс устройств - снимает привычный прямоугольный кадр. Есть модели с разрешением до 150 МПикс, а также способные синхронизироваться с процессами до 2000 Гц. Монохромные, цветные, SWIR диапазона - эти камеры необходимо тщательно подбирать под задачу.
  • 3D камера. Это отдельный класс устройств, способных выдавать 2.5D снимок. Это может быть как триангуляционная камера, способная внутри себя преобразовать массив лазерных профилей в 3D картинку, так и ToF камера - тоже находит применения в промышленной инспекции.
  • LiDAR. Формирует трёхмерную картину окружающего пространства за счет точечного обстрела светом пространства перед собой и считывания время возврата сигнала, LiDAR содержит внутри себя вращающуюся с высокой скоростью зеркальную оптическую систему. Выдает картинку с точками в пространстве, по которым можно определить расстояние до объекта. 

Типы камер машинного зрения


Типовая система машинного зрения

Система машинного зрения состоит из множества элементов:

  • Датчик синхронизации - источник импульса для съемки камеры или "триггер", обычно это оптические ворота или индукционный датчик. Также устанавливают энкодеры для бесшовной съемки.
  • Подсветка - источник света, он же источник информации для камеры. Без качественного света трудно добиться результата от системы машинного зрения. Используют как белый 5000К так и цветные источники, УФ, ИК, SWIR и мультиспектральные, лазерные - проецирующие линию, сетку, точки и т.д.
  • Камера - одна или несколько камер, передающих несжатую картинку наивысшего качества. Камеры могут иметь различные сенсоры: линейный или матричный, ToF, цветной, монохромный, 3D и т.д. На борту всегда имеется ПЛИС - организующая работу камеры, позволяющая корректировать кадр, производить съемку, управлять светом и многое другое. 
  • Оптика - подходящий под камеру объектив на нужное фокусное расстояние, может быть с изменяемой фокусировкой (жидкой линзой или приводом). С ИК коррекцией (его фокусировка не будет изменяться при включении ночной подсветки), с УФ линзами
  • Светофильтры - позволяют обрезать неиспользуемые спектры излучения (например оставить только ИК), затонировать изображение, убрать блики с поверхности и т.д.
  • Специальные кабели - камеры обычно имеют интерфейсы USB, Ethernet, CoaXPress - для них используются кабели промышленного исполнения с усиленным экраном и вибростойкостью.
  • Сетевые карты или платы видеозахвата. Так как камеры машинного зрения передают большой объем данных, используются специальные серверные Ethernet платы, а также frame-grabber для интерфейсов CoaXPress, CLHS и CameraLink
  • Промышленный ПК. Специальная версия ПК в безвентиляторном исполнении с компонентами индустриального класса (срок службы от 10-и лет) и с питанием от 12-24В
  • Программное обеспечение. В нем происходит анализ изображения, его можно написать самостоятельно используя библиотеки машинного зрения или использовать готовые решения.
  • Оборудование ввода-вывода. Это могут быть как платы I/O, так и различные промышленные интерфейсы CAN, FieldBUS, ProfiNET, COM и т.д. Соединяемые с исполнительными устройствами
  • Монитор или сетевые интерфейсы для контроля за работоспособность комплекса и выбора режима работы.

В зависимости от задачи - некоторые элементы могут быть исключены, или совмещать в себе сразу несколько пунктов, например - лазерные 3Д сканеры не требуют подсветки, а смарт-камеры способны обработать изображение внутри себя без использования внешнего ПК.

Влияние человеческого фактора на такую систему сведено к минимуму. После установки и настройки компоненты работают в соответствии с заданным алгоритмом. Контроллер с камерами соединяется кабелями длиной до 100 метров при использовании медных кабелей и до 3-х км, если используется оптоволокно. Благодаря этому, вычислительное оборудование можно установить вне зоны производства и защитить от несанкционированного доступа.

 


Применение

На производстве
Машинное зрение сегодня широко применяют во многих отраслях промышленности для контроля за качеством выпускаемой продукции. Скоростные видеокамеры и датчики улавливают невидимые человеческому глазу дефекты, считывают коды и маркировку, а также способны заметить геометрические отклонения в несколько микрон. Машинное зрение особенно эффективно в следующих сферах:
  • идентификация
  • считывание маркировки с самых различных поверхностей в любом количестве за доли секунды
  • дефектоскопия
  • бесконтактные измерения
  • испытания неразрушающими методами
  • выборочный или полный контроль качества
С помощью высокотехнологичного оборудования за несколько секунд можно проверить качество каждой единицы продукции, подсчитать количество товаров на конвейере, определить их объем и размеры с точностью до нескольких микрон.
 
В городе
Камеры машинного зрения также нашли применение в системах видеонаблюдения и видеоаналитики. С помощью камер большого разрешения можно учесть количество людей на объекте, проанализировать их перемещения, эмоции. Проанализировать автомобильный трафик с квадрокоптера с помощью компактных камер с разрешением 20 МПикс.
 
В развлечениях
Камеры машинного зрения применяются для создания динамической проекционной анимации. Такие анимации можно встретить в развлекательных центрах (квесты, пейнтбол, детские центры), на выставках, при различных демонстрациях проектов, в ресторанах. Камеры наблюдают за окружением в невидимом для человека ИК диапазоне и позволяют анимации подстроиться под ваше действие.
 
На дороге
Контролировать состояние железной дороги, асфальта, взлетной полосы, контактной сети, состояния тоннелей - все это задачи для систем машинного зрения. Они способны охватить 100% поверхностей, а мощные программные средства с глубоким обучением обнаружат любую аномалию в состояние важных элементов инфраструктуры.
 
В науке
Многие научные центры нашей страны и СНГ используют машинное зрение для научных задач. Среди моделей камер машинного зрения есть:
  • высокоскоростные камеры
  • камеры большого разрешения
  • камеры защитой от воды и перепадов температуры
  • монохромные камеры с глубиной цвета 12 бит (обычно 8 бит - до 256 градаций цвета)
  • камеры, дающие качественную картинку, которые намного компактнее фотоаппаратов.

Как мы можем помочь

CameraIQ работает исключительно как официальный поставщик технологии машинного зрения в России. Мы - команда экспертов в фотонике и анализе изображения, мы помогаем нашим клиентам выстраивать автоматизацию во многих сферах экономики с 2010 года.

У нас вы можете получить консультацию по решению вашей задачи, купить камеру машинного зрения и аксессуары для построения системы машинного зрения, получить техническую поддержку, гарантийное и пост-гарантийное обслуживание.

Наши специалисты разработают индивидуальную схему, подходящую для решения ваших производственных задач. Свяжитесь с нами.

Нажимая кнопку "Отправить", я даю согласие на обработку моих Персональных данных.