Conocimientos b sicos de vis n...

1111

© INSTITUT LA GARROTXA ALBERT NOGUÉ / JORDI ANTIGA

Aplicación práctica de la visión artificial

en el control de procesos industriales Conocimientos básicos de visión artificial

Fecha: Abril 2012

2222

Dossier técnico


INDICE

1. Declaración de intenciones .................................................................................................................. 4

2. Qué es un sistema de vision artificial ................................................................................................... 4

2.1 Definición ...................................................................................................................................... 4

2.2 Objetivos de la visión artificial........................................................................................................ 4

2.3 Comparativa .................................................................................................................................. 5

2.3 Comparativa .................................................................................................................................. 5

3. Elementos que componen un sistema de visión .................................................................................. 6

3.1 Iluminación .................................................................................................................................... 6

Iluminación frontal ............................................................................................................................... 9

Iluminación lateral ............................................................................................................................. 10

Iluminación por campo oscuro (dark field) ......................................................................................... 11

Iluminación por contraste (backlight) ................................................................................................. 12

Iluminación axial difusa ..................................................................................................................... 13

Iluminación difusa tipo domo ............................................................................................................. 14

Iluminación por láser ......................................................................................................................... 15

Distáncia focal ................................................................................................................................... 16

Foco o enfoque ................................................................................................................................. 17

Profundidad de campo ...................................................................................................................... 17

Apertura del diafragma ...................................................................................................................... 18

Tubos de extensión ........................................................................................................................... 19

Selección de ópticas ......................................................................................................................... 20

Problemas de las ópticas .................................................................................................................. 22

3333

Dossier técnico


Ópticas telecéntricas ......................................................................................................................... 23

3.3 Elemento sensor o cámara .......................................................................................................... 24

3.4 Sistema de control o controladores ............................................................................................. 26

4. Equipos de visión artificial .................................................................................................................. 27

Dossier técnico

4444


1. DECLARACIÓN DE INTENCIONES

El objetivo de esta documentación es el de la elaboración de material didáctico para formar a las nuevas

generaciones de técnicos en automatización, en un campo con muchas perspectivas de futuro como es el de la

visión artificial. Actualmente ya se están implementando estos sistemas de control e inspección en multitud de

procesos industriales sin saber de momento hasta dónde llegarán o cómo evolucionarán. Es por este motivo

que esta tecnología está muy presente en los controles automatizados del presente y del futuro.

2. QUÉ ES UN SISTEMA DE VISIÓN ARTIFICIAL

2.1 Definición

Un sistema de visión artificial es un sensor avanzado capaz de adquirir energía electromagnética de una

escena y convertirla en una imagen que posteriormente un procesador podrá comparar con unos estándares

de criterio previamente predefinidos.

(Wikipedia) La visión artificial, también conocida como visión por computador (del inglés computer vision) o

visión técnica es un subcampo de la inteligencia artificial. El propósito de la visión artificial es programar un

computador para que "entienda" una escena o las características de una imagen.

Los sistemas de visión artificial deben ser considerados como un elemento para la protección de fallos en el

proceso de producción y detectar anomalías antes de añadir valor al producto; en ningún caso podrán ser

considerados sistemas para mejorar directamente la producción ya que no intervienen en el proceso de

producción.

2.2 Objetivos de la visión artificial

Los objetivos de la visión artificial son esencialmente mejorar la productividad y la calidad en las operaciones

de fabricación, disminuir el número de piezas defectuosas, cumplir con las expectativas impuestas por el cliente

final, maximizar el rendimiento de la maquinaria y detectar, identificar y visualizar defectos antes de añadir valor

al producto.

5555

Dossier técnico


2.3 Comparativa

Los sistemas de visión artificial pretenden ser tan avanzados y complejos como el propio ojo humano. En

procesos de medición de precisión ya lo han superado, pero en otros aún falta tecnología para tan siquiera

igualarlo. En el siguiente cuadro resumen podemos ver una comparativa visión artificial vs visión humana.

VISIÓN HUMANA VS VISIÓN ARTIFICIAL

CAPACIDADES VISIÓN ARTIFICIAL VISIÓN HUMANA

Distancia Capacidades limitadas Buena capacidad

Orientación Buena para 2D Buena capacidad

Movimiento Limitada, sensible al objeto a inspeccionar Buena capacidad

Detección de bordes Requerimiento de existencia de alto contraste en la imagen Elevadas capacidades

Imágenes parcialmente ocultas

Buena para diferencias cuantificables Valoración cualitativa

Interpretación de la imagen Capacidades limitadas Muy desarrollada

Sombras en la imagen Limitado sobretodo en B/N Muy desarrollada

Valoración en 2D Excelente Muy desarrollada

Valoración en 3D Capacidades limitadas Muy desarrollada

Resolución Limitado por el tamaño de los píxeles

Capacidades de alta resolución

Tiempo de procesado Fracciones de segundo por imagen Procesamiento en tiempo real

Discriminación Limitado a imágenes de alto contraste Discriminación muy elevada

Sensibilidad Aceptable Muy sensible

Coste de operación Alto para poco volumen Bajo para poco volumen

Coste total Óptimo para grandes producciones

Óptimo para poca producción o muy variable

* Podemos apreciar que de momento la visión humana gana sobradamente.

6666

Dossier técnico


3. ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA DE VISIÓN

3.1 Iluminación

La iluminación en un sistema de visión artificial es sin duda un factor muy importante en la resolución

de la aplicación. Pensemos que las cámaras capturan la luz reflejada de los objetos para su posterior

análisis. El propósito de la iluminación es el de controlar la forma en que la cámara va a ver el objeto

para determinar si cumple con las especificaciones requeridas. Sin duda, si se utiliza la iluminación

correcta en una aplicación, esta será de fácil solución. Por el contrario, si se utiliza una iluminación

inapropiada, dicha aplicación puede que sea de imposible solución. Los objetivos de la iluminación

son: optimizar el contraste, normalizar cualquier variación de la iluminación ambiente y simplificar el

proceso de tratamiento posterior de la imagen (si se utilizan filtros por software el tiempo de

procesado se ve incrementado).

En el mercado encontramos distintas opciones para la iluminación, aquí una muestra.

Halógenas

Consejo: Regula la intensidad lumínica al 80% y mantener la tensión constante.

Incandescencia

Muy luminoso Ajustable No se puede utilizar como luz estroboscópica Caliente Se degrada con el tiempo

Económicas No se puede utilizar como luz estroboscópica Caliente Se degrada con el tiempo

7777

Dossier técnico


Fluorescentes

Consejo: Utiliza balastros de alta frecuencia para reducir el parpadeo.

Laser

Xenón

Nota: las luces estroboscópicas suelen ser de xenón.

Multitud de formas y tamaños Iluminación difusa minimiza los reflejos No se puede utilizar como luz estroboscópica Parpadeo Difícil de atenuar Se degrada con el tiempo

Se puede utilizar como luz estroboscópica Dirigible Útil en 3D Caro Textura granulosa Frágil Seguridad ocular para los trabajadores

Se puede utilizar como luz estroboscópica De alta intensidad en períodos cortos (flash) Se degrada con el tiempo

8888

Dossier técnico


LED (Light Emitting Diode)

Nota: Actualmente las iluminaciones LED son las más utilizadas.

Halógena, incandescente, fluorescente, láser, LED, ultravioletas… cada una de ellas emiten luz en

diferentes longitudes de onda (colores) útiles para las distintas inspecciones. A continuación

podemos ver las longitudes de onda (figura 1) y el espectro del ojo humano y de las cámaras

(figura2).

*(Una luz estroboscópica es aquella que se enciende y se apaga en fracciones de segundo, como

por ejemplo el flash de una cámara fotográfica o las luces flash de las discotecas).

De larga duración (10.000 horas o más) Se puede utilizar como luz estroboscópica Disponible en longitudes de onda específicas (colores) Bajo consumo Caro ¿?

9999

Dossier técnico


Existen distintas técnicas de iluminación para resaltar aspectos de los objetos a analizar. A

continuación explicamos los sistemas de iluminación más utilizados en sistemas de visión artificial.

ILUMINACIÓN FRONTAL

La cámara se posiciona mirando al objeto en la misma dirección que la luz. Esto reduce las sombras,

suaviza las texturas y minimiza la influencia de rayas, polvo e imperfecciones que pueda tener el

objeto. La cámara recibe la luz reflejada del objeto. Este tipo de iluminación se consigue mediante

anillos de luz.

Aplicaciones: indicada para superficies con pocos reflejos: papel, tela… para la detección de marcas

de diferentes colores, caracteres y detección de todo lo que suponga un cambio de color en

prácticamente cualquier superficie.

Ventajas: elimina sombras, se puede utilizar a grandes distancias cámara/objeto.

Inconvenientes: intensos reflejos sobre superficies reflectantes.

Sin iluminación Con iluminación

10101010

Dossier técnico


ILUMINACIÓN LATERAL

La cámara se posiciona mirando al objeto mientras que la dirección de la luz es lateral al objeto. El

grado de inclinación del elemento emisor de luz vendrá determinado por el grado deseado de resalte

de los relieves.

Aplicaciones: indicada para resaltar bordes, rayas y fisuras en una dirección determinada.

Ventajas: resalta los relieves por pequeños que sean de los objetos, resultando una sombra muy

definida.

Inconvenientes: con ángulos pequeños respecto a la horizontal, la luz producirá sombras en todos los

relieves y en el contorno de la pieza.

Inspección de latas con luz lateral

Lata sin defectos

Lata con defectos

11111111

Dossier técnico


ILUMINACIÓN POR CAMPO OSCURO (DARK FIELD)

La luz es emitida lateralmente con un ángulo muy pequeño mediante un anillo en todas las

direcciones, rebotando en los defectos del objeto a analizar e incidiendo en la cámara.

Aplicaciones: indicada para resaltar incrustaciones y códigos alfanuméricos con poco contraste en

metal sobre metal o gris sobre gris. Muy utilizada en la verificación de grabados tipo láser o troquel.

Ventajas: destaca los detalles en superficies con muy poco contraste.

Inconvenientes: no es recomendable en superficies que absorban la luz.

Sin Darkfield

Con Darkfield

12121212

Dossier técnico


ILUMINACIÓN POR CONTRASTE (BACKLIGHT)

La luz es emitida desde la parte posterior del objeto quedando este entre la fuente de iluminación y la

cámara. La iluminación tiene que ser uniforme en toda la superficie del objeto. La cámara

inspecciona la silueta del objeto por contraste pudiendo realizar mediciones muy precisas, ya que se

eliminan por completo las sombras producidas por la iluminación.

Aplicaciones: indicada para la inspección de la silueta del objeto. Utilizada también en materiales

translúcidos o transparentes para detectar manchas, rayas, grietas…

Ventajas: permite inspecciones de siluetas con mediciones muy precisas y de impurezas en los

objetos transparentes o translúcidos.

Inconvenientes: no permite reconocer los detalles superficiales del objeto, códigos, inscripciones, etc.

Con Backlight

Sin Backlight

Inspección de filamentos de bombillas

13131313

Dossier técnico


ILUMINACIÓN AXIAL DIFUSA

La luz es emitida lateralmente siendo reflejada 90º por un espejo semitransparente que desvía los

haces de luz en la misma dirección que el eje de la cámara, consiguiendo una luz difusa homogénea.

En superficies planas reflectantes si no se utiliza este método de iluminación, la cámara vería

reflejado su propio objetivo.

Aplicaciones: indicada para la inspección superficies planas reflectantes, como PCB, etiquetas

reflectantes, inspección de impresión sobre aluminio o cavidades profundas.

Ventajas: permite inspecciones de códigos en materiales altamente reflectantes.

Inconvenientes: no permite reconocer relieves en el objeto.

Inspección de cojinetes

14141414

Dossier técnico


ILUMINACIÓN DIFUSA TIPO DOMO

La luz es emitida dentro de una cúpula esférica resultando una luz difusa desde todas direcciones,

eliminando sombras y reflejos, suavizando texturas y minimizando la influencia de rayas, polvo,

relieves y curvaturas que pueda tener el objeto inspeccionado. A este tipo de iluminación también se

le denomina iluminación de día nublado por no producir ningún tipo de sombra al objeto.

Aplicaciones: indicada para la inspección de superficies tales como instrumental médico, espejos,

compact disk, latas, etc.

Ventajas: eliminación de sombras y minimizador de arrugas, polvo y relieves.

Inconvenientes: coste elevado.

Luz Frontal

Luz Difusa

15151515

Dossier técnico


ILUMINACIÓN POR LÁSER

La iluminación mediante láser o luz estructurada se utiliza normalmente para resaltar o determinar

una tercera dimensión de un objeto. Se trata de colocar la fuente de luz láser en un ángulo conocido

con respecto al objeto a iluminar y a la cámara, de forma que viendo la distorsión de la luz pueda

interpretarse la profundidad de los objetos a medir. También se utiliza para indicar el trazado por el

que se debe ajustar un proceso, por ejemplo en aplicaciones de corte.

Para realizar una inspección en 3D de un objeto, se proyecta una línea de luz. Las distorsiones en la

línea se traducen en variaciones en la altura. De aquí se puede desprender una forma en 3D

detectando la falta o exceso de material o llegar a hacer una reconstrucción en tres dimensiones del

objeto.

Aplicaciones: ajuste de procesos de corte, control de profundidad de objetos...

Ventajas: no le influye la iluminación externa.

Inconvenientes: coste elevado. Si se utilizan lentes cilíndricas para conseguir una línea o un patrón

concreto, el láser no tiene la misma intensidad lumínica a lo largo del patrón.

16161616

Dossier técnico


3.2 Ópticas

Las ópticas se utilizan para transmitir la luz al sensor de la cámara de una forma controlada y así

obtener una imagen enfocada del objeto.

Para determinar cuál es la lente apropiada para la aplicación que se desea resolver, se deben tener

en cuenta una serie de parámetros: tamaño del sensor de la cámara, distancia entre la cámara y el

objeto y campo de visión o tamaño del objeto. Con estos datos y utilizando una fórmula podemos

calcular la óptica a utilizar en cada aplicación, pero antes de realizar estos cálculos necesitamos

conocer unos conceptos básicos de las ópticas.

DISTANCIA FOCAL

La distancia focal es la medida en mm relativa a la distancia entre la lente y el elemento sensor. La

imagen sale invertida debido a la lente del objetivo, que invierte la imagen al recibir los rayos de luz.

Los objetivos de las cámaras tienen una distancia focal fija o variable, dependiendo del tipo de

objetivo. Al variar la distancia focal conseguimos un menor o mayor acercamiento del objeto,

comúnmente llamado zoom.

17171717

Dossier técnico


Estando a la misma distancia de trabajo, lentes con diferente distancia focal muestran la misma

imagen en distinto tamaño.

FOCO O ENFOQUE

Normalmente las ópticas utilizadas en sistemas de visión artificial tienen una distancia focal variable,

también denominada foco o enfoque. Es muy importante que el objeto a analizar esté perfectamente

enfocado para su posterior análisis. El rango en que una lente ofrece nitidez está entre el infinito y

una distancia mínima esta distancia depende de la distancia focal.

PROFUNDIDAD DE CAMPO

Es la distancia en la que los objetos aparecen enfocados. A menor apertura del diafragma, mayor

será la profundidad de campo.

Anillo de enfoque

18181818

Dossier técnico


APERTURA DEL DIAFRAGMA

El diafragma es una parte del objetivo que limita el nivel de luz que penetra en la cámara y a su vez

al CCD. Funciona como el iris humano, abriéndose o cerrándose permitiendo que entre más o menos

luz. La posición de abertura o cierre del objetivo se denomina apertura del diafragma y se mide en

números f.

Óptica totalmente abierta f=1.4

Óptica medio abierta f=7

Óptica casi cerrada f=11

Anillo de apertura

19191919

Dossier técnico


TUBOS DE EXTENSIÓN

Un tubo o extensión es un anillo que se coloca entre la cámara y la lente incrementando la distancia

entre esta y el sensor CCD/CMOS. Al inspeccionar objetos pequeños la distancia mínima de trabajo

del objetivo puede ser insuficiente, por lo que podemos utilizar tubos de extensión para reducir la

distancia de trabajo.

La utilización de tubos de extensión también comporta algunos problemas, como que la óptica no

enfocará al infinito o que la zona central de la imagen aparecerá más iluminada que los bordes por

eso se deben utilizar cuando realmente son necesarios.

En la siguiente tabla podemos ver la relación entre la distancia focal de la óptica y la utilización de

tubos de extensión. Así con un objetivo de 12mm y un tubo de extensión de 5mm encuadramos una

imagen entre 2 y 3 cm.

20202020

Dossier técnico


SELECCIÓN DE ÓPTICAS

Una vez conocidas todas las partes de un objetivo llega el momento de determinar cuál es el objetivo

idóneo para la aplicación a realizar.

Opción 1 : utilizando la siguiente fórmula

Opción 2 : los fabricantes de objetivos facilitan t ambién programas de cálculo para determinar

cuál es el objetivo idóneo.

21212121

Dossier técnico


Opción 3 : utilización de tablas de cálculos

22222222

Dossier técnico


PROBLEMAS DE LAS ÓPTICAS

No todo es perfecto y muestra de esto es que las ópticas, por buenas que sean, siempre realizan

alguna distorsión en la imagen captada. Estas distorsiones o aberraciones son el cambio de la

representación geométrica de un objeto en el plano de la imagen. Por ejemplo, un rectángulo puede

aparecer como una figura geométrica curvada hacia adentro (almohadilla) o hacia fuera (barril).

La distorsión de la imagen puede causar serios problemas en las aplicaciones de visión artificial.

En las características técnicas de las ópticas acostumbran a expresar en porcentajes la distorsión

producida por la misma.

23232323

Dossier técnico


ÓPTICAS TELECÉNTRICAS

Otro problema es la perspectiva del propio objeto. Dependiendo de la forma geométrica del objeto a

analizar podemos tener problemas con las mediciones del mismo, ya que las ópticas estándar se ven

afectadas por el ángulo de adquisición de la imagen. Para solucionar este problema existen ópticas

telecéntricas con las que se asegura una visión totalmente paralela de los objetos a analizar.

Para la construcción de una óptica telecéntrica la lente tiene que ser igual o mayor que el objeto y de

gran calidad. Eso hace que este tipo de ópticas sean aproximadamente 10 veces más caras que las

estándar.

Óptica estándar Óptica telecéntrica

Campo de visión

24242424

Dossier técnico


3.3 Elemento sensor o cámara

La función de las cámaras de visión artificial es capturar la imagen proyectada en el sensor, mediante

las ópticas, para poder transferirla a un sistema electrónico y que pueda ser interpretada,

almacenada y/o visualizada. Han tenido una rápida evolución en los últimos años, que parece no

haber llegado a su fin. Actualmente se basan en tecnologías CCD (Charge Coupled Devide) o CMOS

(Complementary Metal Oxide Semiconductor), pero la función de cada una de ellas es la misma:

convertir los fotones en carga eléctrica y transformarla en una imagen. Estas cámaras también se les

puede decir cámaras matriciales o de área, ya que el sensor de la cámara cubre un área o matriz de

píxeles donde llegan los fotones. Los tamaños más estándar de CCD están definidos en pulgadas

siendo los más utilizados los de 1/3”, 1/2” y 2/3”.

*(1Pulgada =25,40mm)

Las cámaras de visión artificial tienen similitud con las cámaras digitales que actualmente se utilizan,

pero con algunas prestaciones más elevadas, sobretodo en el control de disparo “trigger” o en el

tratamiento de la imagen.

25252525

Dossier técnico


Los sensores de las cámaras de visión artificial actuales son mayoritariamente CCD. Están

compuestos por millones de pequeños semiconductores de silicio (diodos), los cuales captan los

fotones convirtiéndolos en señales eléctricas. A mayor intensidad de luz, más carga eléctrica existirá.

El número de píxeles viene determinado por la cantidad de semiconductores del sensor que codifica

esta información en un valor digital a través de su conversor analógico digital y da una salida digital

en formato binario que en realidad es la imagen captada una vez digitalizada.

Actualmente podemos encontrar cámaras de visión artificial con una resolución de hasta 22

megapíxeles, por lo que hace necesario un sistema de comunicación rápido y fiable. Esta

comunicación se hace mediante sistemas estándar sobretodo Ethernet-IP, ya sea en un equipo

autónomo como los que utilizamos nosotros o mediante PC.

26262626

Dossier técnico


3.4 Sistema de control o controladores

Los sistemas de visión artificial tienen una jerarquía de control muy definida.

Captación: proceso en el que el equipo obtiene una imagen visual del objeto a inspeccionar. Es de

vital importancia para una correcta captación la buena elección de la iluminación y los elementos

ópticos de la cámara.

Instrucciones: son las operaciones normalmente de software para mejorar la captación de la

imagen. El programador tiene que ser consciente de que normalmente estas instrucciones alargarán

el tiempo de procesado.

Procesado: proceso en el que el equipo trata la imagen adquirida y aplica las instrucciones

impuestas por el programador. Este tiempo es el que tarda el equipo en comprobar las mediciones o

inspecciones deseadas.

Actuación: proceso en el que el equipo gestiona el resultado dando una salida ya sea de OK o NG o

el valor o resultado demandado.

27272727

Dossier técnico


4. EQUIPOS DE VISIÓN ARTIFICIAL

Podríamos definir los equipos de visión artificial en dos grupos:

Equipos compactos (cámaras inteligentes): incorporan todos los elementos explicados

anteriormente integrados y en un formato compacto y de fácil utilización.

Ventajas Fácil programación

Coste reducido Para aplicaciones sencillas

Herramientas de medida incorporadas Iluminación integrada

Ideales para procesos de pass or no pass

Inconvenientes No apropiadas para aplicaciones complejas

Solo incorporan un sistema de iluminación (frontal) Distancia focal definida por el fabricante

Difícil ampliación

28282828

Dossier técnico


Equipos independientes: se tienen que elegir todos los elementos explicados anteriormente.

Ventajas Para aplicaciones con complejidad

Modulares Elección de los componentes más apropiados

Muchas herramientas de medida

Inconvenientes Coste elevado

Sistemas de programación de alto nivel Normalmente basados en PC

Conocimientos b sicos de vis n...

Documents

Transcript of Conocimientos b sicos de vis n...