Повышение качества продукции:высокоскоростная цифровая обработка изображений улучшает традиционное машинное зрение

Машинное зрение — проверенный инструмент управления процессами для различных приложений промышленной автоматизации. Традиционно эта технология объединяет готовые коммерческие датчики изображения (COTS), осветительные модули и процессоры для направления, проверки или идентификации деталей во время их движения по производственным линиям. По сравнению с людьми-операторами системы машинного зрения работают быстрее, точнее и воспроизводимее, что позволяет улучшить качество продукции, снизить процент брака и повысить производительность в быстро меняющихся производственных условиях.

Хотя эксплуатационные преимущества очевидны, высокоскоростная цифровая визуализация еще больше расширяет преимущества, возможности и варианты использования машинного зрения. Благодаря высокому разрешению, высокой частоте кадров и возможностям потоковой передачи высокоскоростные камеры обеспечивают машинное зрение в сложных приложениях, требующих анализа в реальном времени или длительного времени записи, таких как производство полупроводников, запуски космических кораблей, железнодорожные инспекции и многое другое. По этим причинам высокоскоростные системы машинного зрения фиксируют то, что не могут традиционные системы машинного зрения, проливая свет на процессы, слишком мелкие или слишком быстрые, чтобы их можно было увидеть человеческим глазом.

Основные характеристики высокоскоростных камер машинного зрения

Высокоскоростные камеры машинного зрения отличаются от традиционных камер машинного зрения по нескольким причинам. Вместо COTS или датчиков с зарядовой связью (CCD) в высокоскоростных камерах используются специально разработанные дополнительные металлооксидно-полупроводниковые (CMOS) датчики. Разработанные специально для высокоскоростных приложений, КМОП-датчики обеспечивают непревзойденную скорость и чувствительность, что приводит к более детальному контролю и более высокой производительности в приложениях машинного зрения, таких как обнаружение дефектов, измерение деталей и т. д. Высокоскоростные камеры машинного зрения с многомегапиксельными CMOS-сенсорами обеспечивают исключительное качество изображения даже при высокой частоте кадров.

Желательные функции

Высокоскоростные камеры машинного зрения набирают популярность в области медико-биологических наук, баллистических испытаний, 3D-печати и т. д.

Камерам машинного зрения недостаточно просто двигаться быстрее; они должны быть спроектированы так, чтобы справиться с этим. Помимо высокой частоты кадров, превышающей 67 000 кадров в секунду, при выборе высокоскоростных камер для приложений машинного зрения важно учитывать следующие особенности:

Решение: Камеры машинного зрения Phantom оснащены CMOS-сенсорами с разрешением до 9 мегапикселей. Эти многомегапиксельные датчики в сочетании с небольшим размером пикселей камеры позволяют получать более детальные изображения при высокой частоте кадров.

Светочувствительность: Как правило, чем меньше размер пикселя, тем выше детализация изображения, что особенно важно в приложениях, требующих использования микроскопа. Датчики CMOS имеют размер пикселей всего 5,6 микрометра, что обеспечивает высокий собственный ISO. В результате эти камеры достигают превосходного качества изображения, несмотря на малое время экспозиции, необходимое для высокоскоростных приложений машинного зрения.

Время воздействия: У фантомных камер время экспозиции составляет всего 1 микросекунду. Эта возможность, наряду с высокой светочувствительностью и малыми размерами пикселей, позволяет эффективно замораживать высокоскоростное движение, устраняя при этом размытость изображения.

Динамический диапазон: Динамический диапазон вступает в игру, когда изображение имеет много оттенков или когда объект почти того же цвета, что и фон. Чем выше динамический диапазон камеры, тем большую четкость затенения может обнаружить датчик. Фантомные камеры машинного зрения имеют динамический диапазон от 54,8 до 59,7 децибел, что делает их пригодными для более темных применений, таких как проверка полупроводников.

Помимо настраиваемых датчиков, высокоскоростные камеры машинного зрения используют технологию медного кабеля CoaXPress (CXP), что позволяет им передавать огромные объемы данных на совместимые, стандартные серверные устройства захвата кадров в реальном времени. Эта возможность мгновенной потоковой передачи данных позволяет избежать трудоемкого процесса сохранения данных в ограниченной оперативной памяти камеры перед их загрузкой на компьютер. В сочетании со стандартными видеорегистраторами эти потоковые камеры также поддерживают более длительную запись в аэрокосмических приложениях, таких как динамика ракет, динамика самолетов и баллистика, и это лишь некоторые из них.

Протокол CXP6 на данный момент является самым быстрым стандартным методом передачи данных. Каждый медный кабель обеспечивает скорость передачи данных 6,25 гигабит в секунду от камеры к внутреннему приемнику. Более поздний стандарт CXP12 удваивает эту скорость, что делает CXP6 и CXP12 идеальными для камер, требующих высокой пропускной способности.

Благодаря светочувствительности и высокой частоте кадров высококачественные потоковые камеры идеально подходят для контроля полупроводников.

В то время как большинство камер машинного зрения обеспечивают пропускную способность данных до 2 гигапикселей в секунду, самые быстрые в мире камеры потоковой передачи данных обеспечивают скорость прямой передачи данных до 9 гигапикселей в секунду. Эти камеры делят и передают изображения по рядам, а затем сшивают каждое изображение вместе, используя простой алгоритм, что делает возможным более высокую частоту кадров и разрешение. Используя GenICam, универсальный интерфейс программирования, эти камеры также облегчают настройку и интеграцию в существующие системы.

Конфигурации в реальном времени и с длинной записью

Конфигурация серверной части высокоскоростных систем машинного зрения зависит от ряда переменных, включая требуемую частоту кадров, разрешение и время записи. Для анализа в реальном времени пользователи могут использовать до 16 стандартных каналов CXP6 на потоковой камере. Кабели CXP6 обеспечивают связь на расстоянии до 68 метров, а оптоволоконные разъемы обеспечивают дальность связи до 200 километров. Пользователи также могут использовать вход/выход общего назначения (GPIO) камеры для быстрой и гибкой передачи сигналов и синхронизации.

Другие аппаратные и программные компоненты включают в себя:

<ли>

Устройство захвата кадров для конкретного приложения и карта захвата кадров CXP6;

<ли>

Программное обеспечение, включая API захвата кадров, Matlab®, LABVIEW или любые инструменты постобработки изображений;

<ли>

Аппаратное обеспечение обработки изображений, обычно микропроцессор графического процессора или FPGA;

<ли>

Компьютер со слотами PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.

В то время как большинство высокоскоростных приложений выполняются за сотни миллисекунд, приложениям машинного зрения может потребоваться более длительное время записи — например, от нескольких минут до получаса — для обработки таких событий, как запуск космических кораблей. Чтобы преодолеть проблемы хранения, связанные с таким большим объемом данных, высокоскоростные камеры машинного зрения могут передавать данные непосредственно в цифровой видеорегистратор, занимающий несколько терабайт пространства. Эта настройка «подключи и работай» позволяет пользователям легко сохранять входящие данные для последующего анализа.

Расширение традиционных приложений машинного зрения

Благодаря высокоскоростным камерам машинного зрения производители могут получать изображения с более высоким разрешением и точностью записи. Эти функции увеличивают скорость линий и объемы производства, уменьшают узкие места и снижают затраты на единицу продукции. В то же время эти потоковые камеры могут захватывать цели нанометрового масштаба, которые в противном случае трудно увидеть, не говоря уже о анализе, с помощью традиционных камер машинного зрения, превращая машинное зрение из инструмента управления процессом в инструмент диагностики. В результате машинное зрение набирает обороты в таких отраслях, как медико-биологические науки, производство полупроводников, фармацевтика и других.

Некоторые из новейших областей применения высокоскоростного машинного зрения включают в себя:

Проверка полупроводников: Высокоскоростные камеры машинного зрения играют все более важную роль в производстве полупроводников — отрасли, ориентированной на производительность. В частности, они быстро выявляют и отмечают дефекты деталей, как только они возникают, снижая затраты, связанные с дефектами, и время простоя, повышая производительность и сводя время проверки к минимуму.

Высококачественные камеры машинного зрения обеспечивают необходимый баланс между светочувствительностью, соотношением сигнал/шум и высокой частотой кадров, необходимой для полупроводниковых приложений, которые обычно используют масштабы субмикронных размеров. Например, потоковая камера Phantom S990 с полным разрешением 4096 × 2304 имеет размер пикселей 6,75 мкм, шум 9,6e и скорость записи 938 кадров в секунду, генерируя высококачественные изображения, которые позволяют программному обеспечению обработки изображений обнаруживать тонкие различия между светлыми и темными областями, указывающие на дефект.

Высокоскоростные спектрометры: Высокоскоростные спектрометры, используемые во многих продуктах питания и напитков, фармацевтике и сельском хозяйстве, преломляют белый свет на различные длины волн, создавая спектр поглощения, что позволяет обнаруживать присутствие определенных материалов. Одно из новых применений этого процесса включает проверку химического состава фармацевтических таблеток с помощью высокоскоростных камер машинного зрения. Камеры фиксируют движение таблеток по конвейеру. Затем на основе преломленного, поглощенного и прошедшего света, попадающего на объектив, камера может определить дефектные планшеты, не прерывая при этом работу производственных линий.

Благодаря высокой скорости записи и светочувствительности высокоскоростные потоковые камеры идеально подходят для этого нового приложения. Помимо обеспечения бесконтактного метода проверки, эти камеры могут легко проверять десятки таблеток одновременно в одном поле зрения, повышая производительность критически важных фармацевтических операций.

Функции потоковой передачи с камеры

В приложениях потоковой передачи машинного зрения данные изображения передаются непосредственно в устройство захвата кадров и ПК или в цифровой видеорегистратор с длительной записью по кабельной технологии CXP. Пользователи могут немедленно получить доступ к этим данным либо для приложения в реальном времени, либо для длительной записи и ограничены только объемом памяти на ПК или видеорегистраторе.

<ли>

Другие особенности высокоскоростных потоковых камер включают в себя:

<ли>

Настраиваемая разрядность — 8/12 бит, 8/10 бит

<ли>

Работает по технологии CXP6 для некоторых стримеров, потребляющих менее 27 В.

<ли>

Соответствие GenICam для простой интеграции

<ли>

Совместимость с устройствами захвата кадров PCIe3 CXP6

<ли>

GPIO предоставляет общие и расширенные функции сигнализации

<ли>

Масштабируемая передача данных для снижения потребности в данных

Железнодорожная инспекция: Высокоскоростные камеры машинного зрения могут изменить методы проверки железнодорожных систем. В отличие от традиционных камер машинного зрения, которые теряют драгоценное время в течение года из-за дождя, снега или пыльных бурь, потоковые камеры обеспечивают высокую частоту кадров, разрешение и светочувствительность, необходимые для наблюдения в сложных погодных условиях. В отличие от большинства камер, они справляются с белым светом без использования дополнительных фильтров.

Другие новые области применения потоковых камер включают науки о жизни, такие как клеточная диагностика; идентификация флаконов и гемолиз; баллистические испытания; лазерная сварка; и 3D-печать.

Эту статью написала Ума Гобена, инженер по приложениям Vision, Vision Research (Уэйн, Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .