機器視覺系統(tǒng)設計的新挑戰(zhàn)

隨著機器視覺技術和能力的進步，新的應用程序不可避免地出現(xiàn)，幫助最終用戶以新穎的方式提高效率和生產力。 不斷發(fā)展的機器視覺空間中的一個不變因素是對高質量、一致的照明的需求。 機器視覺系統(tǒng)設計和規(guī)范的新挑戰(zhàn)需要一種創(chuàng)新的照明選擇方法。

找到合適的光強度

由于行業(yè)需求，照明選項必須擴展以適應不斷提高的速度、分辨率和高級應用。 這些要求通常與更少的曝光時間相關。 作為補償，最好的通用解決方案是均勻分布的高強度照明和短曝光時間。

LED 是一種常見的高效強光源，可以解決這些光強度挑戰(zhàn)。 在非連續(xù)應用中，可以以更高的電流對 LED 施加脈沖，從而將輸出提高三到八倍。 這通常被稱為過載。 這樣做可以提供更大的光強度，但會帶來時間挑戰(zhàn)。 在不降低圖像質量的情況下提供全光強度需要精確控制脈沖速率和形狀。

這些快速快門事件的理想脈沖形狀是方波。 脈沖兩側的緩慢邊緣會導致運動模糊。 為了提供均勻分布的高強度光，LED 必須在整個快門周期內達到并保持 100% 的強度。 外部 LED 驅動器可能具有來自布線的寄生阻抗，這會導致更寬的脈沖和傾斜邊緣，從而導致系統(tǒng)抖動和圖像模糊。

內部 LED 驅動器在快速達到 0% 到 100% 和 100% 到 0% 強度時面臨的挑戰(zhàn)更少。 這些快速的開/關周期創(chuàng)建了一個方形的信號脈沖形狀，可以與快門速度緊密匹配，以實現(xiàn)更好的高速機器視覺。

圖 1：脈沖形狀與其絕對強度一樣重要。雖然氙燈（黑線）的強度相對較高，但由于脈沖控制不佳，只有 10% 的光有效。帶有外部控制器的 LED 光源（紅線）顯示出通常與外部驅動器相關的不可避免的寄生阻抗。在主板（藍線）附近集成驅動器和控制器的集成架構允許 LED 在 300-500 ns 時間范圍內實現(xiàn)全功率，并提供持續(xù)時間在微秒范圍內的可重復、高強度脈沖。

脈沖速率和形狀在高速應用中很重要，因為過驅動的 LED 具有有限的占空比，因此每一微秒都很重要。 例如，如果一個過驅動的 LED 具有 10% 的占空比并且脈沖持續(xù) 1 ms，則它必須再保持關閉 9 ms。LED 需要保持點亮以提供高質量、高強度、均勻分布的光的時間越長，占空比越長，從而導致每秒捕獲的圖像越少。

在超速模式下運行時間過長會損壞 LED。 此外，不同的波長或顏色具有不同的最大電流。 在不損壞 LED 的情況下最大化光輸出需要使用當今市場上可用的高級驅動器。 這些驅動器使用微處理器來提供可重復的強度控制脈沖。 此類驅動器應該能夠自動設置每個 LED、波長和應用的限制。

通過使用智能集成 LED 驅動器可以解決光強度挑戰(zhàn)并最大限度地減少模糊，尤其是在高速應用中，該驅動器能夠安全地超速驅動 LED 以最大限度地提高照明輸出。 使用微處理器的高級照明解決方案還可以提供諸如可以動態(tài)改變其強度的自適應照明等功能。 在移動視野 （FOV） 或在覆蓋區(qū)域上聚焦以改變角度、方向或突出顯示特定對象時也可以找到這種場合。

尋找正確的視野

動態(tài)改變系統(tǒng) FOV 的能力需要智能機器視覺解決方案。 如果一個物體太遠或太近，它會對圖像質量產生重大影響，尤其是在高速時。 連接的設備正在推動更高水平的集成、控制和實時數據。 自適應智能機器視覺解決方案在很大程度上依賴于優(yōu)化與相機和視覺系統(tǒng)的即插即用集成，以便它們無縫協(xié)同工作。

為了提供適用于自適應機器視覺系統(tǒng)的即插即用解決方案，許多公司設計了預建的視覺系統(tǒng)。 除了面向未來的視覺系統(tǒng)之外，基于組件的視覺解決方案還可以提供相同的優(yōu)勢。 與預建相比，基于組件的系統(tǒng)更靈活，會隨著需求或技術而變化。

例如，提高高級視覺檢測系統(tǒng)的處理能力可能有助于捕捉隨著時間的推移機器磨損的細微變化，從而改進系統(tǒng)。 預建系統(tǒng)很難或不可能升級，并且可能有限或嚴重依賴外部光源。 在研究自適應智能機器視覺解決方案時，請考慮以下幾點：

• 可擴展性
• 靈活性
• 處理限制
• 照明解決方案
• 技術發(fā)展的速度

工業(yè)界的一個共同主題是事半功倍。 單線處理多個產品、包裝和流程。 使用具有自適應照明的高級視覺系統(tǒng)可以動態(tài)更改其 FOV 以適應需求和實時數據。 例如，一個 10 度的鏡頭可以在狹窄的區(qū)域內提供最大的投影。 對于較大的區(qū)域，可以使用 50 度廣角鏡頭。 先進的解決方案可以將一排三個 LED 與 10 度、30 度和 50 度透鏡混合和匹配，以實現(xiàn) 10 到 50 度之間的均勻、均勻的 FOV。 這種靈活性適用于具有各種尺寸包裝的包裝線。 自適應光可以調整到每個盒子的高度，以減少誤讀標簽。

另一個應用是機器對機器的點膠檢測，例如噴漆或涂膠。 持續(xù)的運動需要一個自適應智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以記錄、跟蹤和驗證流程是否在規(guī)范范圍內完成，而不會占用節(jié)拍時間或占地面積。 檢查過程可能還需要高分辨率圖像來檢測小的缺陷。

使用先進的視覺照明解決方案，通過 8 英寸 FOV 以每小時約 100 英里的速度發(fā)射乒乓球以獲得此圖像。光以 1.5 mS 間隔的四個 10 uS 脈沖超速頻閃。球在焦點上，刻字和標志清晰可辨。

線掃描成像照明挑戰(zhàn)

先進的視覺和檢測流程正在推動相機分辨率的提高。 隨著相機分辨率的增加，像素大小通常會減小。 較小的像素通常與降低的全阱容量（像素在引入飽和之前存儲光生電荷的能力）有關。 可以通過增加增益進行補償來增加光靈敏度，但這也會放大圖像噪聲。 隨著像素尺寸的縮小和幀速率的增長，公司需要能夠與其他機器視覺技術保持同步的技術。

為了在更高的速度和光強下保持質量，更大的像素可以提供更大的全阱容量。 線掃描相機通常與更大的像素和更大的光強度相關聯(lián)，以高速捕獲單條線。 挑戰(zhàn)在于光線不遵循一條線，因此會丟失一些光線，這使得 FOV 很重要。 此外，減小 FOV 會增加放大倍數。 如果沒有自適應鏡頭，較小的 FOV 需要相應較高的光強度。 一些線掃描相機中的小 FOV 對于增加光強度是不切實際的。

在連續(xù)應用中，區(qū)域掃描相機可以增加照明強度以捕捉傳送帶的一部分、關閉并在錯過已通過的部分之前再次掃描。 線掃描相機要做到這一點，它必須連續(xù)掃描。 線掃描相機的 LED 不會有關閉周期。 對于零件連續(xù)移動的檢測應用，與面掃描相機相比，線掃描相機通常是一種具有成本效益的解決方案。 但是，如果沒有自適應智能視覺解決方案，并且取決于速度和 FOV，線掃描相機可能變得不切實際。

為了解決這一挑戰(zhàn)，公司可能會選擇使用雙條線燈。 這些類型的產品具有智能功能，是前兩個挑戰(zhàn)的結合，它們無縫地協(xié)同工作，提供必要的 FOV 和強度，使線掃描相機成為實用、經濟高效的解決方案。此外，如果使用區(qū)域掃描相機，或者以后升級到，照明很容易適應新技術。 雙條燈可以通過藍牙連接以改變強度、FOV 等，因為線條會隨著時間的推移而變化。

隨著行業(yè)要求更高的速度，以及更多的更少，機器視覺提供了一個解決方案。 在為您的應用研究解決方案時，請務必考慮光強度、FOV 和線掃描相機方面的挑戰(zhàn)。 尋找能夠處理和適應生產速度和不斷變化的技術的智能照明解決方案。 具有基于組件的自適應智能軟件的靈活硬件將幫助您的公司保持在機器視覺解決方案的領先地位。

編輯：黃飛