Повышение качества производства: высокоскоростная цифровая визуализация расширяет традиционное машинное зрение

Машинное зрение — проверенный инструмент процессного контроля для разнообразия приложений промышленной автоматизации. Традиционно эта технология интегрирует коммерчески доступные (COTS) образцовые сенсоры, модули освещения и процессоры для направления, инспекции или идентификации деталей, пока они движутся по производственным линиям. По сравнению с человеческими операторами, системы машинного зрения быстрые, точные и повторяемые — улучшая качество продукции, снижая уровень брака и повышая продуктивность в быстрых производственных средах.

Пока операционные преимущества ясны, высокоскоростная цифровая визуализация расширяет преимущества, возможности и варианты использования для машинного зрения еще дальше. Благодаря их высокому разрешению, быстрым частотам кадров и стриминговым возможностям, высокоскоростные камеры позволяют машинное зрение в сложных приложениях, требующих анализа в реальном времени или длинных времен записи, таких как полупроводниковое производство, запуски космических шаттлов, железнодорожная инспекция и многое другое. По этим причинам высокоскоростные системы машинного зрения захватывают то, что традиционные системы зрения не могут, проливая свет на процессы слишком малые или слишком быстрые для видения человеческим глазом.

Ключевые особенности высокоскоростных камер машинного зрения

Высокоскоростные камеры машинного зрения отличаются от традиционных камер машинного зрения несколькими способами. Вместо COTS или зарядно-связанных приборов (CCD) сенсоров, высокоскоростные камеры интегрируют кастомно-проектированные дополнительные металл-оксид-полупроводниковые (CMOS) сенсоры. Когда спроектированы специально для высокоскоростных приложений, CMOS сенсоры доставляют беспрецедентную скорость и чувствительность, ведущую к более детальным инспекциям и более высоким выходам в приложениях машинного зрения вроде обнаружения дефектов, измерения деталей и более. Высокоскоростные камеры машинного зрения, включающие CMOS сенсоры с множественными мегапикселями, достигают исключительного качества изображения даже на сложных частотах кадров.

Желательные особенности

Высокоскоростные камеры машинного зрения набирают обороты в приложениях лайф-сайенс, баллистическом тестировании, 3D печати и более.

Недостаточно для камер машинного зрения просто идти быстрее; они должны быть спроектированы для обработки этого. Помимо быстрых частот кадров, превышающих 67 000 fps, следующие особенности важны для учета при выборе высокоскоростных камер для приложений машинного зрения:

Разрешение: Phantom камеры машинного зрения включают CMOS сенсоры до 9 мегапикселей. Эти многомегапиксельные сенсоры — в сочетании с малыми размерами пикселей камер — дают более детальные изображения на быстрых частотах кадров.

Чувствительность к свету: Обычно, чем меньше размер пикселя, тем больше детали визуализации — что особенно важно в приложениях, требующих микроскопа. CMOS сенсоры имеют размеры пикселей до 5,6 микрометров, результатом чего высокий нативный ISO. В результате эти камеры достигают отличного качества изображения несмотря на низкие времена экспозиции, необходимые для высокоскоростных приложений машинного зрения.

Время экспозиции: Phantom камеры имеют времена экспозиции до 1 микросекунды. Эта способность — вместе с высокой чувствительностью к свету и малыми размерами пикселей — достаточно заморозить высокоскоростное движение, устраняя размытие движения.

Динамический диапазон: Динамический диапазон вступает в игру, когда изображение имеет много оттенков, или когда субъект почти того же цвета, что и его фон. Чем выше динамический диапазон камеры, тем больше определения оттенков сенсор может детектировать. Phantom камеры машинного зрения имеют динамический диапазон между 54,8 и 59,7 децибел, делая их подходящими для темных приложений вроде инспекции полупроводников.

Помимо высоко кастомизированных сенсоров, высокоскоростные камеры машинного зрения используют медную технологию кабеля CoaXPress (CXP), позволяя им передавать огромные объемы данных к совместимым, отраслевым стандартным бэкэнд фрейм-грабберам в реальном времени. Эта способность стримить данные мгновенно избегает tijdочередного процесса сохранения данных в ограниченной ОЗУ камеры перед скачиванием на компьютер. Когда сопряжены с готовыми DVR блоками, эти стриминговые камеры также поддерживают более длинные записи приложений в аэрокосмике, таких как ракетостроение, авиационная динамика и баллистика, просто для примера.

Протокол CXP6 в настоящее время самый быстрый стандартный метод передачи данных. Каждый медный кабель достигает скоростей передачи данных 6,25 гигабит в секунду от камеры к бэкэнд приемной машине. Более недавний стандарт CXP12 удваивает эту скорость, делая оба CXP6 и CXP12 идеальными для камер, требующих высокой пропускной способности.

Благодаря их чувствительности к свету и быстрым частотам кадров, высококачественные стриминговые камеры идеальны для инспекции полупроводников.

Пока большинство камер машинного зрения обеспечивают до 2-гигапикселей в секунду пропускной способности данных, самые быстрые в мире стриминговые камеры достигают прямых скоростей передачи данных до 9-гигапикселей в секунду. Эти камеры делят и передают изображения по строкам, затем сшивают каждое изображение обратно, используя простой алгоритм — делая возможными более высокие частоты кадров и разрешения. Опираясь на GenICam, универсальный программный интерфейс, эти камеры также облегчают конфигурацию и интеграцию в существующие системы.

Конфигурации реального времени против долгой записи

Бэкэнд конфигурация в высокоскоростных системах машинного зрения зависит от числа переменных, включая требуемую частоту кадров, разрешение и время записи. Для анализа в реальном времени пользователи могут использовать до 16 стандартных CXP6 каналов на стриминговой камере. Пока CXP6 кабели позволяют коммуникацию до 68 метров, волоконно-оптические коннекторы достигают более длинных дистанций до 200 километров. Пользователи также могут использовать общий ввод/вывод камеры (GPIO) для быстрой, гибкой сигнализации и синхронизации.

Другие аппаратные и программные компоненты включают:

• Прикладной фрейм-граббер и CXP6 фрейм-граббер карта;

• ПО, включая фрейм-граббер API, Matlab®, LABVIEW или любые постпроцессинговые визуальные инструменты;

• Аппаратную обработку изображений, типично GPU микропроцессор или FPGA;

• Компьютер с PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3 слотами.

Пока большинство высокоскоростных приложений происходят в сотнях миллисекунд, приложения машинного зрения могут требовать более длинные времена записи — несколько минут до полутора, например — для размещения событий вроде запусков космических шаттлов. Чтобы преодолеть проблемы хранения, ассоциированные с таким большим объемом данных, высокоскоростные камеры машинного зрения могут стримить данные непосредственно в DVR блок, который имеет множественные терабайты пространства. Этот plug-and-play сетап позволяет пользователям легко хранить входящие данные для анализа позже.

Расширение традиционных приложений машинного зрения

Благодаря высокоскоростным камерам машинного зрения производители могут достичь визуализации с более высоким разрешением и точностью записи. Эти особенности увеличивают скорости линий и производственные объемы, уменьшают узкие места и снижают затраты на единицу. В то же время эти стриминговые камеры могут захватывать нанометровые цели, которые иначе трудно увидеть — не то что анализировать — используя традиционные камеры машинного зрения, трансформируя машинное зрение из инструмента процессного контроля в диагностический инструмент. В результате машинное зрение набирает тягу в индустриях вроде лайф-сайенс, полупроводникового производства, фармацевтики и более.

Некоторые из последних областей применения для высокоскоростного машинного зрения включают:

Инспекция полупроводников: Высокоскоростные камеры машинного зрения играют все более важную роль в полупроводниковом производстве, индустрии, движимой пропускной способностью. Конкретно, они быстро идентифицируют и флагуют дефекты деталей как только они возникают, снижая затраты, связанные с дефектами и простоем, улучшая пропускную способность и держа время инспекции на минимуме.

Высококачественные камеры машинного зрения достигают необходимого баланса между чувствительностью к свету, соотношением сигнал-шум и быстрыми частотами кадров, требуемыми полупроводниковыми приложениями, которые типично вовлекают субмикронные масштабы. На полном разрешении 4096 × 2304, Phantom S990 стриминговая камера, например, имеет 6,75-мкм размеры пикселей, 9,6e- шум и 938-fps скорости записи, генерируя высококачественные изображения, позволяющие визуализационному ПО детектировать тонкие вариации между светлыми и темными областями, указывающими на дефект.

Высокоскоростные спектрометры: Используемые во многих пищевых и напиточных, фармацевтических и сельскохозяйственных приложениях, высокоскоростные спектрометры дифракционируют белый свет в различные длины волн для создания абсорбционного спектра, делая возможным детектировать присутствие определенных материалов. Одно растущее применение для этого процесса вовлекает верификацию химического состава фармацевтических таблеток с использованием высокоскоростных камер машинного зрения. Камеры записывают таблетки, пока они движутся по конвейеру. Затем, основанные на дифракционированном, абсорбированном и переданном свете, достигающем линзы, камера может флагнуть дефектные таблетки, все в то время держа производственные линии движущимися.

Благодаря их быстрым скоростям записи и чувствительности к свету, высокоскоростные стриминговые камеры идеальны для этого растущего применения. Помимо предоставления бесконтактного метода инспекции, эти камеры могут легко инспектировать десятки таблеток в том же поле зрения одновременно, улучшая пропускную способность в критичных фармацевтических операциях.

Особенности стриминговых камер

В стриминговых приложениях машинного зрения, данные изображений текут непосредственно к фрейм-грабберу и ПК или долгозаписи DVR через технологию кабеля CXP. Пользователи могут немедленно получить доступ к этим данным либо для приложения реального времени, либо для долгой записи и ограничены только объемом хранения в ПК или DVR.

• Другие особенности высокоскоростных стриминговых камер включают:

• Конфигурируемая битовая глубина — 8-/12-бит, 8-/10-бит

• Питание от CXP6 технологии для некоторых стримеров, потребляющих менее 27 вольт

• Соответствие GenICam для легкой интеграции

• Совместимость с PCIe3 CXP6 фрейм-грабберами

• GPIO предоставляет общие и продвинутые сигнальные особенности

• Масштабируемая передача данных для сниженных потребностей в данных

Железнодорожная инспекция: Высокоскоростные камеры машинного зрения имеют потенциал изменить то, как железнодорожные системы инспектируются. В отличие от традиционных камер машинного зрения, которые теряют ценное время в течение года на дождь, снег или пыльные бури, стриминговые камеры предоставляют высокую частоту кадров, разрешение и чувствительность к свету, необходимые для видения через сложные погодные условия. В отличие от большинства камер, они также обрабатывают белый свет без использования дополнительных линзовых фильтров.

Другие растущие области применения для стриминговых камер включают лайф-сайенс, такие как диагностика клеток; идентификацию флаконов и гемолиз; баллистическое тестирование; лазерную сварку; и 3D печать.

Эта статья написана Умой Гобеной, инженером приложений Vision, Vision Research (Уэйн, НДж). Для получения дополнительной информации посетите здесь .