Ako správne nasvietiť kamerový systém?

Výber správneho osvetlenia predstavuje v systéme strojového videnia azda najvýznamnejšiu úlohu, pretože poskytuje svetelný zdroj, ktorý v kombinácii s ďalšími komponentami strojového videnia, ako sú kamera a objektív, zabezpečuje najlepšiu možnú a opakovateľnú kvalitu obrazu. Nevhodný výber osvetlenia môže viesť k strate informácií, ktoré nemožno nijako obnoviť pomocou softvéru. Preto by sa malo vhodné osvetlenie zvážiť čo najskôr v procese plánovania, kedy je zvyčajne možné nahradiť nesprávny typ osvetlenia za vhodné osvetlenie. Správne zvolené osvetlenie už na začiatku projektovej fázy teda môže zabrániť vysokým nákladom v neskorších fázach projektu.

Pre navrhnutie vhodného osvetlenia pre systém strojového videnia je nutné zvážiť aspekty, ktoré výrazne ovplyvňujú výslednú kvalitu obrazu. Patria sem napríklad: správny typ osvetlenia, vhodná technika nasvetlovania, geometrický tvar osvetlenia, jeho vlnová dĺžka, interakcia vzorky a osvetlenia... Dôležitú váhu zohráva taktiež okolité prostredie, v ktorom bude systém strojového videnia umiestnený. Po zhromaždení a analýze informácií z týchto oblastí je následne možné zamerať sa na nasledovné kritéria:

  •         maximalizovať kontrast kontrolovaných prvkov,
  •         minimalizovať kontrast prvkov, ktoré nie sú predmetom záujmu,
  •         minimalizovať, ideálne odstrániť, vplyv okolitého prostredia.

Návrh vhodného osvetlenia

Obr. 1: Návrh vhodného osvetlenia: a – kruhové svetlo – kolmé nasvetlenie, b – kruhové svetlo – 45° v osi Y,  c – kruhové svetlo – 45° v osi X, d – matrixové nasvetlenie – 45° v osi X

Svetlo sa v strojovom videní charakterizuje vlnovou dĺžkou vyjadrenou v nanometroch [nm].
Pre systém strojového videnia sa najčastejšie používa svetlo vlnovej dĺžky viditeľného spektra ľudským okom ~ 380  – 780 nm. Niektoré špeciálne aplikácie však vyžadujú UV svetlo (vlnové dĺžky pod ~380 nm) alebo IR svetlo (vlnové dĺžky nad ~780 nm).

Elektromagnetické spektrum

Obr. 2: Elektromagnetické spektrum, rozdelenie UV, viditeľného a IR spektra

V oblasti viditeľného spektra sa využíva biele svetlo na presnú reprodukciu farieb pri snímaní farebnou kamerou. Pri snímaní pomocou monochromatickej kamery je využívaná vlastnosť odrazu vĺn svetla od snímaného predmetu. Pomocou tejto vlastnosti môžeme reprezentovať, či je objekt "jasný" alebo "tmavý". Pre dosiahnutie "najjasnejšieho" vyobrazenia daného predmetu je teda vhodné osvetliť ho svetlom rovnakej farby, akú má tento predmet. Pre "najtmavšie" vyobrazenia tohto predmetu je vhodné použiť osvetlenie s farbou opačnou v farebnom spektre. Inak povedané, je efektívne využiť svetlo s kontrastnou farbou. Ako pomôcku je možné využiť tzv. "opačné" farby na farebnom kruhu a dosiahnuť tak požadovaný kontrast.

Objekt nasvetlený zdrojom svetla

Obr. 3: Objekt nasvetlený zdrojom svetla, ktorý obsahuje farbu objektu je zobrazený mono-chromatickou kamerou jasne (bielo). Naopak, ak je objekt nasvetlený zdrojom svetla, ktorý neobsahuje farbu objektu, je zobrazený monochromatickou kamerou tmavo (čierno)

Farebný kruh - vision systém

Obr. 4: Farebný kruh

Vystavenie určitých objektov ultrafialovému svetlu je využívané pre snímanie fluorescenčných materiálov snímaných pomocou UV citlivej kamery. To umožňuje ľahšie zachytiť objekty (napríklad defekty), ktoré je ťažké rozpoznať pomocou viditeľného svetla. V strojovom videní sa nepoužíva vlnová dĺžka menšia ako 315 nm, nakoľko je zdraviu škodlivá.

defekty nasvetlené UV svetlom.

Obr. 5: a – defekty nie je možné rozlíšiť nasvetlovaním svetlom vo viditeľnom spektre,
b – defekty nasvetlené UV svetlom sú viditeľné

IR svetlo dokáže preniknúť cez špecifické látky, vďaka čomu je možná detekcia objektov, ktoré by inak neboli viditeľné svetlom s vlnovou dĺžkou v oblasti viditeľného spektra. IR spektrum je podľa vlnovej dĺžky rozdelené na: krátka vlnová dĺžka (SWIR), stredná vlnová dĺžka (MWIR) a dlhá vlnová dĺžka (LWIR).

rozdiel pri nasvetlený červeným a IR svetlom

Obr. 6: Vzorka vľavo – olej, vzorka vpravo – voda, rozdiel pri nasvetlení červeným a IR svetlom

Ako najpoužívanejší zdroj osvetlenia sa v strojovom videní v dnešnej dobe používa LED osvetlenie. Voči ostatným, menej používaným zdrojom ako halogénové, fluorescenčné alebo xenonóvé osvetlenie, majú LED výhody najmä v:

  •         životnosti – životnosť vyššia rádovo v desaťnásobkoch, opakované spínanie neznižuje ich životnosť,
  •         v pomere cena/výkon,
  •         rýchlej odozve – rádovo nanosekundy,
  •         rôznorodosti tvarov – rozmery LED diód umožňujú vyrábať osvetlenie rôznych tvarov,
  •         alebo v rozsahu farieb – široká škála vlnových dĺžok.

Porovnanie vlastností zdrojov osvetlenia v strojovom videní

Obr. 7: Porovnanie vlastností zdrojov osvetlenia v strojovom videní

Zdroje

Autor: Ing. Marek Wohlschläger