Baza wiedzy: Procedura projektowania systemu wizyjnego

Krok 1: Zdefiniowanie zadania wizyjnego i wymagań

Najpierw dokładnie zdefiniuj, co system wizyjny ma oceniać i w jakich warunkach:

• Zdecyduj, czy będzie to np. pozycjonowanie obiektów, kontrola jakości, pomiary wymiarów albo odczyt kodów.
• Określ wymaganą dokładność (np. najmniejszą wykrywalną wadę lub tolerancję pomiaru) oraz szybkość procesu (liczbę inspekcji na minutę).
• Uwzględnij również warunki w otoczeniu produkcyjnym: dostępne miejsce na kamerę, ruch obiektów (ujęcie statyczne vs. ruch ciągły), oświetlenie środowiska oraz ewentualne drgania.

Te wymagania wejściowe determinują dobór odpowiednich komponentów w kolejnych krokach.

Krok 2: Dobór typu kamery i metody obrazowania

W zależności od charakteru zadania wybierz odpowiedni typ kamery i sposób rejestracji obrazu:

• Kamera 2D powierzchniowa (area-scan): Rejestruje cały obraz jednocześnie, odpowiednia do typowych inspekcji obiektów stacjonarnych lub indeksowanych. Hikrobot oferuje szeroką gamę przemysłowych kamer 2D (np. serie CA, CE, CH itd.) o bardzo dobrej jakości obrazu. Kamery te obejmują rozdzielczości od 0,3 Mpx do 151 Mpx i obsługują standardowe interfejsy, takie jak GigE Vision, USB3.0, 10GigE, Camera Link oraz CoaXPress.
• Kamera liniowa (line-scan): Rejestruje obraz linia po linii podczas ruchu produktu. Sprawdza się przy kontroli materiałów ciągłych (tekstylia, papier) lub powierzchni walcowych. Na przykład seria kamer liniowych Hikrobot CL obsługuje rozdzielczości 2K–16K pikseli i oferuje interfejsy GigE, CameraLink oraz CoaXPress do transmisji wysokiej przepustowości. Kamery liniowe pozwalają skanować powierzchnię poruszającego się produktu w wysokiej rozdzielczości, ale wymagają zsynchronizowanego przesuwu obiektu.
• Kamera 3D / sensor stereo: W zadaniach wymagających informacji o głębi (pomiar objętości, inspekcja 3D, prowadzenie robota) rozważ zastosowanie wizyjnego systemu 3D. Hikrobot ma w portfolio również inteligentną kamerę RGB-D, która łączy technologie ToF i podwójnego stereowidzenia oraz bezpośrednio dostarcza obraz głębi (RGB-D) z wysoką częstotliwością klatek. Systemy te z wbudowaną AI potrafią np. segmentować obiekt od tła i znajdują zastosowanie w magazynach, logistyce oraz w produkcji przy złożonych kontrolach kształtu..
• Inteligentny czytnik kodów: Jeśli celem jest wyłącznie odczyt kodów kreskowych lub 2D, dobrym rozwiązaniem może być stacjonarny czytnik kodów. Na przykład ultrakompaktowy Hikrobot ID2000 można łatwo zintegrować z linią (wymiary 46×25×38 mm), a dzięki wbudowanemu oświetleniu niezawodnie odczytuje kody 1D/2D oraz DPM z prędkością do 45 kodów na sekundę. Czytniki tego typu mają zoptymalizowane algorytmy dekodowania i sprawdzają się tam, gdzie trzeba szybko identyfikować produkty na podstawie kodów.

Krok 3: Wybór konkretnej kamery

Po wyborze typu kamery dobierz konkretny model, który spełni wymagane parametry techniczne. Kluczowa jest rozdzielczość przetwornika, która musi odpowiadać wielkości wykrywanych detali. Wyższa rozdzielczość kamery pozwala wykryć mniejsze wady, ale przetwarzanie większych obrazów może obniżać maksymalną szybkość akwizycji.

Hikrobot oferuje kamery od niskich rozdzielczości 0,3 Mpx aż po ultrawysokie 151 Mpx (np. seria CH) do najbardziej wymagających zastosowań. Uwzględnij także szybkość rejestracji (FPS). Przykładowo kamery Hikrobot z serii CA obejmują zakres 0,3–6 Mpx i osiągają do 814 fps przy niskiej rozdzielczości, co sprawdza się na bardzo szybkich liniach.

Kolejnym czynnikiem jest technologia migawki. Przy szybkim ruchu i w celu ograniczenia rozmycia preferuj migawkę globalną (global shutter). Zwróć też uwagę na czułość widmową: niektóre modele są dostępne w wersji NIR (czułej w bliskiej podczerwieni 750–1100 nm) do inspekcji z użyciem oświetlenia IR.

Równie istotny jest dobór interfejsu transmisji danych kamery. Interfejs GigE Vision (Gigabit Ethernet) jest bardzo popularny i pozwala na długość przewodu do 100 m (kamery GigE Hikrobot, np. seria CI, są zgodne ze standardem GigE Vision). W przypadku kamer o wysokiej prędkości lub wysokiej rozdzielczości może być potrzebny interfejs o większej przepustowości, taki jak 10GigE, USB3.0, a w zastosowaniach specjalnych także CoaXPress lub Camera Link.

W systemach wielokamerowych sprawdź, czy wybrany model oraz interfejs umożliwiają synchronizację czasową kamer (np. wejścia hardware trigger lub obsługę synchronicznego wyzwalania wielu kamer). Zdecyduj też, czy potrzebujesz kamery monochromatycznej czy kolorowej: przetwornik monochromatyczny zwykle ma większą czułość i lepszą zdolność rozdzielczą detali, a kolorowy jest konieczny, jeśli aplikacja ocenia barwę obiektów.

Krok 4: Dobór obiektywu i optyki

Wysokiej jakości obiektyw jest dla ostrego obrazu równie ważny jak kamera. Dobierz ogniskową obiektywu do wymaganego pola widzenia i odległości roboczej. Szerszy kadr uzyskasz przy krótszej ogniskowej, a do ujęć detali z większej odległości zastosuj teleobiektyw. Zadbaj, aby rozdzielczość obiektywu odpowiadała rozdzielczości kamery (istnieją tzw. obiektywy „megapikselowe” projektowane pod wysoką rozdzielczość sensora).

Hikrobot opracował własną serię obiektywów FA do systemów wizyjnych, zaprojektowanych z naciskiem na wysoką ostrość, równomierne odwzorowanie od środka do krawędzi oraz minimalne zniekształcenia przy zachowaniu korzystnej ceny. Te obiektywy przemysłowe mają solidną konstrukcję i utrzymują wysoką jasność względną aż do krawędzi kadru, co zapewnia równomierne oświetlenie obrazu. Przy doborze sprawdź kompatybilność z mocowaniem kamery: większość przemysłowych kamer Hikrobot korzysta ze standardowego gwintu C-Mount lub CS-Mount.

Do zastosowań specjalnych, takich jak bardzo precyzyjny pomiar wymiarów, rozważ także użycie obiektywu telecentrycznego, który eliminuje zniekształcenia perspektywiczne, jeśli wymaga tego aplikacja. Elementem toru optycznego mogą być również filtry (np. polaryzacyjne do redukcji odblasków lub filtry barwne/IR dopasowane do użytego oświetlenia). Takie akcesoria pomagają uwydatnić pożądane detale i ograniczyć wpływ zakłóceń środowiskowych.

Krok 5:Projekt odpowiedniego oświetlenia

Prawidłowe oświetlenie sceny jest jednym z największych wyzwań w systemach wizyjnych. Jest kluczowe dla stabilnego działania, ponieważ wpływa na kontrast i czytelność poszukiwanych cech lub wad.

Najpierw dobierz typ oświetlenia odpowiedni do inspekcji: bezpośrednie oświetlenie czołowe (np. pierścieniowe) do równomiernego doświetlenia obiektu, boczne skośne oświetlenie do uwypuklenia topografii powierzchni (np. rys), podświetlenie tylne (backlight) do uzyskania sylwetki albo oświetlenie koaksjalne do powierzchni błyszczących, które ogranicza odblaski kierowane do kamery.

Następnie dobierz długość fali. Często stosuje się światło czerwone lub białe, a dla uzyskania określonego kontrastu może być przydatne także oświetlenie niebieskie, zielone lub podczerwone. Producent Hikrobot ma w portfolio kompletną linię przemysłowych lamp LED do systemów wizyjnych, obejmującą źródła pierścieniowe, listwowe, koaksjalne i powierzchniowe. Oświetlacze te charakteryzują się wysoką mocą świetlną (natężenie do kilku milionów luksów) oraz bardzo dobrą równomiernością, co zapewnia powtarzalną jakość obrazu. Dostępne są różne rozmiary i wykonania, ułatwiające integrację w maszynie, dzięki czemu można doświetlać zarówno drobne detale, jak i dużą scenę.

Projektując oświetlenie, uwzględnij także sterowanie intensywnością: najlepiej, aby światło było ściemnialne lub sterowane impulsowo (strobe), tak by zsynchronizować impuls z czasem ekspozycji kamery i uzyskać wysoką jasność bez rozmycia ruchu. Służą do tego specjalizowane kontrolery oświetlenia. Hikrobot oferuje np. serie MV-LE100/200, które umożliwiają analogowe lub cyfrowe sterowanie mocą LED i łatwą integrację z systemem kamerowym. Dobrze zaprojektowane oświetlenie eliminuje wpływ otoczenia i znacząco zwiększa niezawodność detekcji wymaganych cech lub wad.

Krok 6: Wybór platformy przetwarzania (kamera inteligentna vs. zewnętrzny kontroler)

Wybierz architekturę systemu, która najlepiej odpowiada złożoności zadania. W prostszych aplikacjach z jedną kamerą idealnym rozwiązaniem może być kamera inteligentna, czyli urządzenie z wbudowanym procesorem, które samodzielnie realizuje całe przetwarzanie obrazu. Hikrobot oferuje inteligentne kamery serii SC: kompaktową SC3000 jako podstawowy czujnik wizyjny oraz mocniejsze modele SC5000X i SC6000 do bardziej wymagających zadań.

Na przykład SC5000X ma zintegrowany moduł obliczeniowy z bogatym zestawem wbudowanych algorytmów (ponad 160 funkcji wizyjnych) oraz modułową konstrukcję ułatwiającą elastyczny montaż. Najbardziej zaawansowana SC6000 zawiera dodatkowo akceleratory AI i oferuje ponad 140 gotowych algorytmów wizyjnych oraz obsługę ponad 30 przemysłowych protokołów komunikacyjnych. Kamera inteligentna realizuje więc wszystko: od akwizycji, przez analizę, po komunikację z linią w jednym kompaktowym urządzeniu. Dzięki temu eliminuje potrzebę stosowania osobnego PC i upraszcza okablowanie.

W bardziej złożonych systemach (wiele kamer, większe wolumeny danych lub wymagające algorytmy) warto zastosować zewnętrzny kontroler lub komputer przemysłowy. Hikrobot dostarcza wydajne kontrolery wizyjne serii VC3000 / VC5000, czyli komputery przemysłowe zoptymalizowane pod przetwarzanie obrazu. Kontrolery te wykorzystują wielordzeniowe procesory Intel (np. Core i7 12. generacji) i są wyposażone w liczne interfejsy do podłączenia kamer oraz urządzeń peryferyjnych.

Kontrolery umożliwiają podłączenie wielu kamer GigE jednocześnie (zwykle 4–6 portów Gigabit Ethernet) i oferują rozbudowane I/O: do 24 izolowanych wejść/wyjść cyfrowych z możliwością wyboru logiki NPN/PNP. Zintegrowane wyjścia do sterowania oświetleniem (np. 4 kanały 24 V) pozwalają bezpośrednio zasilać i wyzwalać lampy LED synchronicznie z akwizycją.

Zaletą dedykowanego kontrolera jest wysoka moc obliczeniowa do uruchamiania zaawansowanych algorytmów w czasie rzeczywistym oraz możliwość łatwej rozbudowy systemu o kolejne kamery i peryferia. Wybór między kamerą inteligentną a kontrolerem zależy więc od złożoności zadania: prosta inspekcja z jedną kamerą może być elegancko zrealizowana kamerą smart, natomiast rozbudowane stanowisko z wieloma kamerami i wymagającymi obliczeniami wymaga centralnego, wydajnego kontrolera.

Krok 7: Projekt oprogramowania i algorytmów przetwarzania obrazu

Po wyborze sprzętu następuje realizacja części programowej systemu wizyjnego. Dla urządzeń Hikrobot dostępna jest ujednolicona platforma Vision Master (VM). Oprogramowanie do systemów wizyjnych zawiera rozbudowaną bibliotekę bloków funkcyjnych do analizy obrazu. VM umożliwia intuicyjną, graficzną konfigurację zadań inspekcyjnych oraz programowe API dla użytkowników zaawansowanych.

Bezpośrednio w środowisku Vision Master dostępnych jest ponad 1000 zweryfikowanych operatorów (funkcji) do przetwarzania obrazu, które obejmują zadania takie jak precyzyjne pozycjonowanie i pomiar obiektów, rozpoznawanie tekstów i kodów, kontrola obecności komponentów, porównywanie wyglądu czy detekcja defektów powierzchni. Funkcje te obejmują m.in. narzędzia do wyszukiwania wzorców (pattern matching), pomiarów wymiarów, odczytu kodów 1D/2D, OCR (optycznego rozpoznawania znaków) oraz liczne filtry i operacje wstępnego przetwarzania obrazu.

Platforma VM integruje również nowoczesne algorytmy uczenia maszynowego: zawiera wbudowane moduły deep learning do klasyfikacji, detekcji obiektów, segmentacji oraz OCR w oparciu o sieci neuronowe. Użytkownik może w środowisku VM wykonać anotację obrazów, wytrenować model głębokiego uczenia na własnych danych i wdrożyć go bezpośrednio na linii inspekcyjnej, bez konieczności opuszczania platformy.

Vision Master wspiera różne poziomy integracji: rozwiązanie można zbudować w całości w interfejsie graficznym (co sprzyja szybkiemu prototypowaniu) albo wykorzystać SDK i wywoływać funkcje VM z własnej aplikacji w celu głębszej integracji z systemem nadrzędnym. VM umożliwia także tworzenie własnych narzędzi użytkownika (tzw. operatorów) i włączanie ich do biblioteki, co jest przydatne przy algorytmach specyficznych dla danej aplikacji.

Dla aplikacji ukierunkowanych na odczyt kodów Hikrobot oferuje również wyspecjalizowaną Code Platform. Zawiera ona zoptymalizowane algorytmy dekodowania symboli 1D/2D oraz łatwe połączenie z bazami danych systemów logistycznych. W większości przypadków wystarczą jednak standardowe funkcje Vision Master, ponieważ obejmują także solidne moduły odczytu kodów kreskowych i DataMatrix, w tym weryfikację jakości.

Podczas tworzenia algorytmów zawsze pracuj na wystarczająco reprezentatywnym zestawie próbek (dobrych i wadliwych detali), aby właściwie dobrać narzędzia i ustawić progi dla niezawodnej detekcji. Gotowy program inspekcyjny można wdrożyć bezpośrednio na kamerze inteligentnej (jeśli jest używana. Zwykle zawiera runtime jednej z wersji VM) lub na wybranym kontrolerze/PC z zainstalowanym oprogramowaniem Vision Master.

Krok 8: Integracja z linią produkcyjną, testy i dostrojenie

W końcowej fazie połączysz system wizyjny z otoczeniem produkcyjnym i zweryfikujesz jego działanie:

• Zamontuj kamerę lub kamery na linii w optymalnej pozycji i solidnie je zamocuj.
• Podłącz całą okablowanie do komputera sterującego lub sieci, przewody zasilające oraz przewody do modułów oświetleniowych.
• Jeśli stosujesz zewnętrzny kontroler wizyjny Hikrobot, podłącz kamery bezpośrednio do jego portów gigabitowych i w razie potrzeby wykorzystaj wbudowane I/O do obsługi wejść/wyjść. Kontrolery oraz kamery inteligentne Hikrobot umożliwiają łatwą integrację ze sterownikami PLC i innymi systemami oraz obsługują ponad 30 przemysłowych protokołów komunikacyjnych (EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP i inne) do przesyłania wyników i statystyk do systemu nadrzędnego.
• Zsynchronizuj system wizyjny z pracą linii: zwykle trzeba zapewnić wyzwalanie akwizycji we właściwym momencie (np. za pomocą czujnika i sygnału trigger do kamery lub kontrolera). Wykorzystaj cyfrowe I/O do odbioru sygnału trigger oraz do wyprowadzania wyników (np. wyjście cyfrowe „OK/NOK” do PLC w celu odrzutu wadliwego detalu).
• Platforma Vision Master upraszcza integrację, ponieważ ma wbudowane zarządzanie urządzeniami zewnętrznymi, dzięki czemu bezpośrednio z programu inspekcyjnego można sterować kamerami, regulować intensywność podłączonych źródeł światła oraz kontrolować sygnały wyjściowe. Całą komunikacją i synchronizacją czasową można więc zarządzać centralnie z poziomu jednego oprogramowania.

Gdy system jest już fizycznie zainstalowany i połączony, przeprowadź dokładne testy oraz kalibrację:

• Sprawdź, czy oświetlenie i optyka są poprawnie ustawione, a w razie potrzeby wyreguluj ostrość obiektywu, przysłonę oraz kąt ustawienia oświetlenia tak, aby obraz był ostry i miał optymalny kontrast obserwowanych cech..
• Następnie testuj narzędzia programowe na rzeczywistych wyrobach: pozwól systemowi przetworzyć odpowiednio dużą liczbę dobrych i wadliwych sztuk i obserwuj, czy niezawodnie rozpoznaje wymagane cechy. Jeśli pojawiają się fałszywe alarmy lub pominięte wady, zmodyfikuj parametry algorytmów (wartości progowe, obszary zainteresowania, wstępne przetwarzanie obrazu itp.) w Vision Master i powtórz testy.
• W zadaniach pomiarowych wykonaj kalibrację obrazu do jednostek rzeczywistych (np. z użyciem płytki kalibracyjnej i narzędzi w Vision Master), aby wyniki odpowiadały wymiarom w mm i aby skompensować zniekształcenia optyki.
• Po końcowym dostrojeniu zapewnij, aby wyniki inspekcji były poprawnie przekazywane dalej, czy to do PLC (odrzut detalu, zatrzymanie maszyny), czy do bazy danych z rejestracją wyników.
• Monitoruj wdrożony system w początkowej fazie pracy i potwierdź jego stabilność w czasie (np. wpływ nagrzewania oświetlenia, zabrudzenia optyki).

Dzięki takiemu, starannemu podejściu zapewnisz, że zaprojektowany system wizyjny będzie niezawodnie działał w warunkach produkcyjnych i znacząco poprawi kontrolę jakości oraz efektywność wytwarzania..