Tầm nhìn máy tính là gì?

Thị giác máy sử dụng máy móc để thay thế mắt người trong việc đo lường và đánh giá. Hệ thống thị giác máy sử dụng các sản phẩm thị giác máy (ví dụ: thiết bị chụp ảnh, có sẵn trong CMOS và CCD) để chuyển đổi các vật thể đã chụp thành tín hiệu hình ảnh. Các tín hiệu này sau đó được truyền đến một hệ thống xử lý hình ảnh chuyên dụng, hệ thống này chuyển đổi chúng thành tín hiệu số dựa trên phân bố điểm ảnh, độ sáng, màu sắc và các thông tin khác. Sau đó, hệ thống hình ảnh thực hiện các thao tác khác nhau trên các tín hiệu này để trích xuất các đặc điểm của mục tiêu và, dựa trên thông tin thu được, điều khiển hoạt động của thiết bị tại chỗ.

Các thành phần hệ thống tầm nhìn:

1. Nguồn sáng

2. Ống kính

3. Camera công nghiệp

4. Thẻ chụp/xử lý ảnh

5. Hệ thống xử lý hình ảnh

6. Các thiết bị ngoại vi khác

I. Máy ảnh

Camera công nghiệp, còn được gọi là camera video, mang lại độ ổn định hình ảnh vượt trội, tốc độ truyền tải cao và khả năng chống nhiễu tốt so với camera dân dụng truyền thống. Hiện nay, hầu hết camera công nghiệp trên thị trường đều sử dụng chip CCD (Charge Coupled Device) hoặc CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Trong số này, CCD là cảm biến hình ảnh được sử dụng phổ biến nhất trong thị giác máy. Nó tích hợp chuyển đổi quang điện, lưu trữ điện tích, truyền điện tích và đọc tín hiệu, khiến nó trở thành một thiết bị hình ảnh thể rắn điển hình.

Điểm đặc biệt của CCD là nó sử dụng điện tích làm tín hiệu, không giống như các thiết bị khác sử dụng dòng điện hoặc điện áp làm tín hiệu. Loại thiết bị hình ảnh này tạo ra các gói điện tích thông qua chuyển đổi quang điện, sau đó được truyền và khuếch đại bởi một xung điều khiển để xuất tín hiệu hình ảnh.

Một camera CCD thông thường bao gồm một thấu kính quang học, một bộ tạo tín hiệu đồng bộ và định thời, một bộ điều khiển dọc và các mạch xử lý tín hiệu analog/kỹ thuật số. Là một thiết bị chức năng, CCD có nhiều ưu điểm hơn so với đèn chân không, chẳng hạn như không bị hiện tượng burn-in, không bị trễ, hoạt động ở điện áp thấp và tiêu thụ điện năng thấp.

Sự phát triển của cảm biến hình ảnh CMOS lần đầu tiên xuất hiện vào đầu những năm 1970. Với sự tiến bộ của công nghệ sản xuất mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) vào đầu những năm 1990, cảm biến hình ảnh CMOS đã có sự phát triển nhanh chóng.

Cảm biến hình ảnh CMOS tích hợp một mảng phần tử cảm quang, bộ khuếch đại tín hiệu hình ảnh, mạch đọc tín hiệu, mạch chuyển đổi analog sang kỹ thuật số, bộ xử lý tín hiệu hình ảnh và bộ điều khiển trên một chip duy nhất. Chúng cũng mang lại lợi thế về khả năng truy cập ngẫu nhiên có thể lập trình vào các điểm ảnh cục bộ. Hiện nay, cảm biến hình ảnh CMOS được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng có độ phân giải cao và tốc độ cao nhờ khả năng tích hợp tuyệt vời, mức tiêu thụ điện năng thấp, tốc độ truyền tải cao và dải động rộng.

Phân loại:

Mọi thứ đều có tiêu chuẩn phân loại riêng và camera công nghiệp cũng không ngoại lệ.

Dựa trên loại chip, chúng có thể được chia thành camera CCD và camera CMOS;

Dựa trên đặc điểm cấu trúc của cảm biến, chúng có thể được chia thành camera quét dòng và camera quét vùng;

Dựa trên phương pháp quét, chúng có thể được chia thành camera quét xen kẽ và camera quét liên tục;

Dựa trên độ phân giải, chúng có thể được chia thành camera có độ phân giải tiêu chuẩn và camera có độ phân giải cao;

Dựa trên phương pháp tín hiệu đầu ra, chúng có thể được chia thành camera analog và camera kỹ thuật số;

Dựa trên màu sắc đầu ra, chúng có thể được chia thành máy ảnh đơn sắc (đen trắng) và máy ảnh màu;

Dựa trên tốc độ tín hiệu đầu ra, chúng có thể được chia thành camera tốc độ tiêu chuẩn và camera tốc độ cao;

Dựa trên dải tần số phản hồi, chúng có thể được chia thành camera ánh sáng khả kiến ​​(chuẩn), camera hồng ngoại và camera cực tím, cùng nhiều loại khác.

Sự khác biệt:

1. Hiệu suất ổn định, đáng tin cậy và dễ dàng lắp đặt. Cấu trúc camera nhỏ gọn, bền bỉ, không dễ hư hỏng, có thời gian hoạt động liên tục dài và có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt. Máy ảnh kỹ thuật số thông thường không thể đạt được điều này. Ví dụ, máy ảnh kỹ thuật số tiêu dùng chắc chắn sẽ gặp khó khăn nếu hoạt động 24/24 hoặc liên tục trong nhiều ngày.

2. Tốc độ màn trập rất ngắn, cho phép chụp chuyển động tốc độ cao. Ví dụ, nếu bạn gắn danh thiếp vào cánh quạt điện đang quay ở tốc độ tối đa, cài đặt tốc độ màn trập phù hợp và chụp ảnh bằng máy ảnh công nghiệp, bạn vẫn có thể phân biệt rõ ràng phông chữ trên danh thiếp. Không thể đạt được hiệu ứng tương tự với máy ảnh thông thường.

3. Cảm biến hình ảnh sử dụng công nghệ quét liên tục, trong khi máy ảnh thông thường sử dụng công nghệ quét xen kẽ. Quy trình sản xuất cảm biến hình ảnh quét liên tục rất phức tạp, dẫn đến năng suất thấp và khối lượng giao hàng thấp. Chỉ một số ít công ty trên thế giới, chẳng hạn như Dalsa và Sony, có thể cung cấp những sản phẩm như vậy, và chúng rất đắt đỏ.

4. Tốc độ khung hình của nó cao hơn nhiều so với camera thông thường. Camera công nghiệp có thể chụp từ mười đến vài trăm khung hình mỗi giây, trong khi camera thông thường chỉ chụp được hai hoặc ba khung hình mỗi giây - một sự khác biệt đáng kể.

5. Đầu ra là dữ liệu thô, thường có dải phổ rộng hơn, phù hợp với các thuật toán xử lý hình ảnh chất lượng cao, chẳng hạn như các thuật toán được sử dụng trong các ứng dụng thị giác máy. Hình ảnh chụp bằng camera thông thường có dải phổ chỉ phù hợp với thị giác con người và được nén bằng MJPEG, dẫn đến chất lượng hình ảnh kém và khả năng phân tích và xử lý kém.

6. Chúng đắt hơn máy ảnh tiêu chuẩn (DSC).

Cách chọn:

1. Chọn camera CCD hoặc CMOS tùy theo ứng dụng. Camera công nghiệp CCD chủ yếu được sử dụng để trích xuất hình ảnh của các vật thể chuyển động, chẳng hạn như trong thị giác máy cho các máy định vị. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ CMOS, nhiều máy định vị cũng đang áp dụng camera công nghiệp CMOS. Camera công nghiệp CCD thường được sử dụng trong các giải pháp hoặc ngành công nghiệp kiểm tra trực quan tự động. Camera công nghiệp CMOS ngày càng phổ biến do giá thành và mức tiêu thụ điện năng thấp.

2. Khi chọn độ phân giải, trước tiên hãy cân nhắc độ chính xác của đối tượng cần quan sát hoặc đo lường. Hãy chọn độ phân giải dựa trên độ chính xác này. Độ chính xác điểm ảnh của camera = trường nhìn đơn hướng / độ phân giải camera đơn hướng. Do đó, độ phân giải camera đơn hướng = trường nhìn đơn hướng / độ chính xác lý thuyết. Nếu trường nhìn dài 5mm và độ chính xác lý thuyết là 0,02mm, thì độ phân giải camera đơn hướng = 5 / 0,02 = 250. Tuy nhiên, để tăng tính ổn định của hệ thống, một điểm ảnh không được sử dụng để tương ứng với một giá trị độ chính xác đo lường/quan sát duy nhất. Thông thường, độ phóng đại từ 4 trở lên được chọn. Do đó, camera yêu cầu độ phân giải trục đơn là 1000, vì vậy 1,3 triệu điểm ảnh là đủ.

Tiếp theo, hãy xem xét đầu ra của camera công nghiệp. Đối với quan sát lập thể hoặc phân tích và nhận dạng phần mềm máy móc, độ phân giải cao rất hữu ích. Đối với đầu ra VGA hoặc USB, việc quan sát trên màn hình phụ thuộc vào độ phân giải của màn hình. Ngay cả camera công nghiệp có độ phân giải cao cũng vô dụng nếu độ phân giải của màn hình không đủ. Độ phân giải cao cũng hữu ích cho việc sử dụng thẻ nhớ hoặc chụp ảnh.

3. Phù hợp với ống kính: Kích thước chip cảm biến phải nhỏ hơn hoặc bằng kích thước ống kính và ngàm C hoặc CS cũng phải tương thích (hoặc có thể thêm bộ chuyển đổi).

4. Lựa chọn tốc độ khung hình của camera: Khi đo các vật thể chuyển động, hãy chọn camera công nghiệp có tốc độ khung hình cao. Tuy nhiên, nhìn chung, độ phân giải càng cao thì tốc độ khung hình càng thấp.

II. Ống kính

Kiến thức cơ bản:

1. Phù hợp ống kính

Làm thế nào để chọn đúng ống kính? Khi chọn ống kính, bạn cần chọn ống kính phù hợp với giao diện camera và kích thước của CCD. Ống kính ngàm C và CS là phổ biến nhất. Camera nhỏ dùng ngàm CS cho an ninh đang ngày càng phổ biến, trong khi ngành công nghiệp camera an ninh (FA) chủ yếu sử dụng camera ngàm C và kết hợp ống kính. Kích thước CCD tương ứng trên thị trường thường dao động từ 2/3 inch đến 1/3 inch, tùy thuộc vào ứng dụng.

2. Khả năng hoán đổi

Ống kính ngàm C có thể được sử dụng thay thế cho cả máy ảnh ngàm C và ngàm CS; ống kính ngàm CS không thể sử dụng với máy ảnh ngàm C, chỉ có thể sử dụng với máy ảnh ngàm CS.

3. Hiệu ứng tối góc

Khi máy ảnh sử dụng ống kính có CCD nhỏ, các khu vực xung quanh không được hình ảnh thu lại sẽ có màu đen, tình trạng này được gọi là kerare.

4. Chức năng của ống kính:

Thiết kế thấu kính bao gồm việc mài các vật liệu khác nhau có chiết suất khác nhau thành các bề mặt cong có độ chính xác cao và kết hợp chúng lại với nhau. Nguyên lý cơ bản của nó là một kỹ thuật phổ biến đã được sử dụng từ thời Galileo. Để có được hình ảnh rõ nét hơn, các vật liệu mới và thấu kính phi cầu đang được nghiên cứu và phát triển.

3. Nguồn sáng

Nguồn sáng LED, đèn halogen (nguồn sáng sợi quang) và đèn huỳnh quang tần số cao. Hiện nay, nguồn sáng LED là loại được sử dụng phổ biến nhất, với những đặc điểm chính sau:

Chúng có thể được sản xuất theo nhiều hình dạng, kích thước và góc chiếu sáng khác nhau;

Chúng có thể được sản xuất với nhiều màu sắc khác nhau tùy theo nhu cầu và độ sáng có thể được điều chỉnh bất cứ lúc nào;

Thiết bị tản nhiệt giúp tản nhiệt tốt hơn và độ sáng ổn định hơn;

Chúng có tuổi thọ dài;

Chúng phản ứng nhanh, đạt độ sáng tối đa trong 10 micro giây hoặc ít hơn;

Bộ nguồn có bộ kích hoạt bên ngoài, cho phép điều khiển bằng máy tính, khởi động nhanh và có thể được sử dụng như đèn nhấp nháy;

Đèn LED có chi phí vận hành thấp và tuổi thọ cao, mang lại những lợi thế đáng kể về tổng chi phí và hiệu suất;

Thiết kế tùy chỉnh có thể được điều chỉnh theo nhu cầu của khách hàng.

Nguồn sáng LED thường có thể được phân loại theo hình dạng:

1. Nguồn sáng vòng: Nguồn sáng vòng cung cấp nhiều góc chiếu sáng và kết hợp màu sắc khác nhau, làm nổi bật các chi tiết ba chiều của vật thể. Chúng cũng có các mảng đèn LED mật độ cao cho độ sáng cao, nhiều thiết kế nhỏ gọn và lắp đặt tiết kiệm không gian. Chúng cũng giải quyết các vấn đề về bóng đổ chéo. Bộ khuếch tán tùy chọn cung cấp sự phân bổ ánh sáng đều. Các ứng dụng bao gồm kiểm tra chất nền PCB, kiểm tra linh kiện IC, chiếu sáng kính hiển vi, hiệu chuẩn LCD, kiểm tra hộp nhựa và kiểm tra in mạch tích hợp. 2. Đèn nền sử dụng một mảng đèn LED mật độ cao để cung cấp đèn nền cường độ cao, làm nổi bật các đường viền và đặc điểm của vật thể, khiến nó đặc biệt thích hợp để sử dụng làm bệ mẫu kính hiển vi. Đèn nền đỏ và trắng sử dụng kép, cũng như đèn nền đỏ và xanh lam sử dụng đa năng, có thể được cấu hình để tạo ra các màu khác nhau nhằm đáp ứng các yêu cầu đa màu của các vật thể thử nghiệm khác nhau. Các ứng dụng bao gồm: đo kích thước các bộ phận cơ khí, kiểm tra bề ngoài của các linh kiện điện tử và IC, phát hiện vết bẩn trên màng phim và phát hiện vết xước của các vật thể trong suốt.

3. Nguồn sáng dạng thanh: Nguồn sáng dạng thanh là nguồn sáng được ưa chuộng cho các công trình hình vuông lớn. Màu sắc có thể được kết hợp và phối hợp tự do để đáp ứng các yêu cầu cụ thể, góc chiếu sáng và vị trí lắp đặt có thể điều chỉnh. Ứng dụng bao gồm: kiểm tra bề mặt kim loại, quét hình ảnh, phát hiện vết nứt bề mặt và kiểm tra màn hình LCD.

4. Nguồn sáng đồng trục: Nguồn sáng đồng trục loại bỏ bóng tối do bề mặt không bằng phẳng, do đó giảm thiểu nhiễu. Một số nguồn sáng sử dụng thiết kế bộ chia chùm tia để giảm thiểu tổn thất ánh sáng, cải thiện độ rõ nét của hình ảnh và cung cấp ánh sáng đồng đều trên bề mặt. Ứng dụng: Dòng nguồn sáng này lý tưởng để kiểm tra vết xước trên các bề mặt có độ phản chiếu cao như kim loại, kính, màng phim và wafer; phát hiện vỡ chip và wafer silicon; vị trí đánh dấu; và nhận dạng mã vạch bao bì.

5. Nguồn sáng chuyên dụng cho AOI: Ánh sáng ba màu ở các góc độ khác nhau làm nổi bật thông tin ba chiều của mối hàn. Bộ khuếch tán dẫn hướng ánh sáng để giảm phản xạ. Có nhiều góc kết hợp khác nhau. Ứng dụng: Dùng để kiểm tra mối hàn trên bảng mạch.

6. Nguồn sáng tích hợp hình cầu: Bề mặt bên trong của một quả cầu bán cầu với hiệu ứng tích hợp phản xạ đều ánh sáng phát ra từ đáy 360 độ, đảm bảo độ chiếu sáng đồng đều trên toàn bộ hình ảnh. Ứng dụng: Thích hợp để kiểm tra các bề mặt cong, không bằng phẳng, cong vênh, cũng như bề mặt kim loại và kính có độ phản chiếu cao.

7. Nguồn sáng tuyến tính: Độ sáng cực cao, sử dụng thấu kính hình trụ để hội tụ ánh sáng, phù hợp cho việc kiểm tra liên tục trên nhiều dây chuyền lắp ráp. Ứng dụng: Chuyên dụng cho chiếu sáng camera mảng và AOI. 8. Nguồn sáng điểm LED công suất cao, kích thước nhỏ gọn và cường độ sáng cao. Đây là giải pháp thay thế cho đèn halogen sợi quang, đặc biệt thích hợp làm nguồn sáng đồng trục cho thấu kính. Khả năng tản nhiệt hiệu quả giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của nguồn sáng. Ứng dụng: Thích hợp sử dụng với thấu kính telecentric, kiểm tra chip, định vị dấu, căn chỉnh wafer và đế kính LCD.

9. Nguồn sáng dạng thanh kết hợp: Phân bổ ánh sáng dạng thanh bốn mặt, mỗi mặt có khả năng điều khiển chiếu sáng độc lập. Góc chiếu sáng cần thiết có thể được điều chỉnh để phù hợp với vật thể cần kiểm tra, mang lại nhiều ứng dụng. Các ứng dụng bao gồm kiểm tra đế CB, kiểm tra linh kiện IC, kiểm tra mối hàn, định vị dấu, chiếu sáng kính hiển vi, chiếu sáng mã vạch bao bì và chiếu sáng vật thể hình cầu.

10. Nguồn sáng căn chỉnh: Căn chỉnh nhanh, trường nhìn rộng, độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng kiểm tra và tích hợp, độ sáng cao và tùy chọn nguồn sáng vòng phụ trợ. Ứng dụng: Nguồn sáng dòng VA được thiết kế đặc biệt để căn chỉnh trong máy in bảng mạch hoàn toàn tự động. 4. Lựa chọn nguồn sáng

1. Thông tin tiên quyết

(1) Nội dung kiểm tra: Kiểm tra ngoại quan, OCR, đo kích thước, định vị

(2) Đối tượng

Bạn muốn thấy gì? (Vật lạ, vết xước, khuyết điểm, vết hằn, hình dạng, v.v.)

Tình trạng bề mặt (gương, bề mặt gồ ghề, bề mặt cong, bề mặt phẳng)

Ba chiều? Bề mặt phẳng?

Chất liệu, màu sắc bề mặt

Trường nhìn?

Động hoặc tĩnh (tốc độ màn trập của máy ảnh)

(3) Hạn chế

Khoảng cách làm việc (khoảng cách từ đáy thấu kính đến bề mặt của vật thể được đo)

Cài đặt điều kiện (kích thước ánh sáng, khoảng cách từ đáy đèn đến bề mặt của vật thể được đo, phản xạ hay truyền qua)

Môi trường xung quanh (nhiệt độ, ánh sáng đi lạc bên ngoài)

Loại camera: mảng diện tích hoặc mảng tuyến tính

2. Kiến thức sơ bộ đơn giản:

(1) Do vật liệu và độ dày khác nhau, đặc tính truyền sáng (độ trong suốt) khác nhau. (2) Khả năng xuyên qua vật liệu (độ truyền sáng) thay đổi theo bước sóng của ánh sáng. (3) Bước sóng ánh sáng càng dài thì khả năng xuyên qua vật liệu càng mạnh. Bước sóng ánh sáng càng ngắn thì tốc độ khuếch tán của nó trên bề mặt vật liệu càng lớn. (4) Chiếu sáng truyền qua là phương pháp truyền ánh sáng qua vật thể và quan sát ánh sáng truyền qua.

3. Nguồn sáng:

Một nguồn sáng ổn định và đồng đều là vô cùng quan trọng

Mục đích: Để phân biệt đối tượng đang thử nghiệm với nền một cách rõ ràng nhất có thể

Khi chụp ảnh, điều quan trọng nhất là làm sao để có được sự rõ ràng: sự khác biệt về sáng và tối giữa vật thể được kiểm tra và nền

Hiện nay, phương pháp kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực xử lý ảnh là xử lý nhị phân (trắng và đen). Để làm nổi bật các điểm đặc trưng và ảnh đặc trưng, ​​các phương pháp chiếu sáng thường được sử dụng bao gồm trường sáng và trường tối.

Trường sáng: Sử dụng ánh sáng trực tiếp để quan sát toàn bộ vật thể (ánh sáng tán xạ xuất hiện màu đen)

Trường tối: Sử dụng ánh sáng tán xạ để quan sát toàn bộ vật thể (ánh sáng trực tiếp xuất hiện màu trắng) Phương pháp cụ thể để lựa chọn nguồn sáng vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm thực tế trong thí nghiệm.