ما هي الرؤية الآلية؟

تستخدم تقنية الرؤية الآلية الآلات لتحل محل العين البشرية في القياس والحكم. يستخدم نظام الرؤية الآلية منتجاتها (مثل أجهزة التقاط الصور، المتوفرة بتقنية CMOS وCCD) لتحويل الأجسام الملتقطة إلى إشارات صور. تُنقل هذه الإشارات بعد ذلك إلى نظام معالجة صور مخصص، والذي يحولها بدوره إلى إشارات رقمية بناءً على توزيع البكسلات، والسطوع، واللون، ومعلومات أخرى. يُجري نظام الصورة بعد ذلك عمليات مختلفة على هذه الإشارات لاستخلاص خصائص الهدف، وبناءً على المعلومات الناتجة، يتحكم في تشغيل المعدات في الموقع.

مكونات نظام الرؤية:

1. مصدر الإضاءة

2. العدسة

3. كاميرا صناعية

4. بطاقة التقاط/معالجة الصور

5. نظام معالجة الصور

6. أجهزة خارجية أخرى

أولا: الكاميرات

تتميز الكاميرات الصناعية، المعروفة أيضًا بكاميرات الفيديو، بثبات صورة فائق، وسرعة نقل عالية، ومقاومة عالية للتداخل مقارنةً بكاميرات المستهلكين التقليدية. حاليًا، تعتمد معظم الكاميرات الصناعية المتوفرة في السوق على رقائق CCD (جهاز اقتران الشحنة) أو CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية).

من بين هذه الأجهزة، يُعدّ مستشعر CCD أكثر مستشعرات الصور استخدامًا في مجال الرؤية الآلية. فهو يدمج التحويل الكهروضوئي، وتخزين الشحنة، ونقلها، وقراءة الإشارة، مما يجعله جهاز تصوير نموذجيًا يعمل بالحالة الصلبة.

تتميز أجهزة CCD باستخدامها للشحنة كإشارة، على عكس الأجهزة الأخرى التي تستخدم التيار أو الجهد كإشارة. يُشكّل هذا النوع من أجهزة التصوير حزم شحن من خلال التحويل الكهروضوئي، والتي تُنقل وتُضخّم بواسطة نبضة محرك لإخراج إشارة الصورة.

تتكون كاميرا CCD النموذجية من عدسة بصرية، ومولد إشارة التوقيت والتزامن، ومحرك رأسي، ودوائر معالجة الإشارات التناظرية/الرقمية. كجهاز وظيفي، يوفر CCD مزايا مقارنة بالأنابيب المفرغة، مثل عدم وجود احتراق، وعدم وجود تأخير، وتشغيل منخفض الجهد، وانخفاض استهلاك الطاقة.

بدأ تطوير مستشعرات الصور CMOS في أوائل سبعينيات القرن الماضي. ومع تطور تكنولوجيا تصنيع الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) في أوائل التسعينيات، شهدت هذه المستشعرات نموًا سريعًا.

تدمج مستشعرات الصور CMOS مصفوفة عناصر حساسة للضوء، ومضخم إشارة الصورة، ودائرة قراءة الإشارة، ودائرة تحويل من تناظري إلى رقمي، ومعالج إشارة الصورة، ووحدة تحكم على شريحة واحدة. كما توفر ميزة الوصول العشوائي القابل للبرمجة إلى وحدات البكسل المحلية. تُستخدم مستشعرات الصور CMOS حاليًا على نطاق واسع في التطبيقات عالية الدقة والسرعة، نظرًا لتكاملها الممتاز، وانخفاض استهلاكها للطاقة، وسرعتها العالية في النقل، ونطاقها الديناميكي الواسع.

تصنيف:

كل شيء له معايير تصنيف خاصة به، والكاميرات الصناعية ليست استثناء.

وفقًا لنوع الشريحة، يمكن تقسيمها إلى كاميرات CCD وكاميرات CMOS؛

بناءً على الخصائص الهيكلية للمستشعر، يمكن تقسيمها إلى كاميرات مسح الخطوط وكاميرات مسح المناطق؛

وفقًا لطريقة المسح، يمكن تقسيمها إلى كاميرات مسح متشابكة وكاميرات مسح تقدمية؛

بناءً على الدقة، يمكن تقسيمها إلى كاميرات ذات دقة قياسية وكاميرات عالية الدقة؛

وفقًا لطريقة إشارة الإخراج، يمكن تقسيمها إلى كاميرات تناظرية وكاميرات رقمية؛

بناءً على لون الإخراج، يمكن تقسيمها إلى كاميرات أحادية اللون (أبيض وأسود) وكاميرات ملونة؛

وفقًا لسرعة إشارة الإخراج، يمكن تقسيمها إلى كاميرات سرعة قياسية وكاميرات عالية السرعة؛

وبناءً على نطاق تردد الاستجابة، يمكن تقسيمها إلى كاميرات الضوء المرئي (القياسية)، وكاميرات الأشعة تحت الحمراء، وكاميرات الأشعة فوق البنفسجية، وغيرها.

الاختلافات:

أداء مستقر وموثوق به وسهولة التركيب. هيكل الكاميرا مدمج ومتين، ولا يتلف بسهولة، ويدوم طويلًا، ويمكن استخدامه في بيئات قاسية. لا تستطيع الكاميرات الرقمية العادية تحقيق ذلك. على سبيل المثال، ستواجه الكاميرا الرقمية الاستهلاكية صعوبة بالغة إذا عملت على مدار الساعة أو لعدة أيام متواصلة.

٢. سرعة غالقها قصيرة جدًا، مما يسمح لها بالتقاط حركات عالية السرعة. على سبيل المثال، إذا ثبّتت بطاقة عمل على شفرات مروحة كهربائية تدور بأقصى سرعة، وضبطت سرعة غالق مناسبة، والتقطت صورة بكاميرا صناعية، فستظل قادرًا على تمييز الخط الموجود على البطاقة بوضوح. من المستحيل تحقيق نفس التأثير باستخدام كاميرا عادية.

٣. تستخدم مستشعرات الصور المسح التدريجي، بينما تستخدم الكاميرات العادية المسح المتشابك. عملية إنتاج مستشعرات الصور ذات المسح التدريجي معقدة، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتاجية وانخفاض حجم الشحنات. لا تستطيع سوى شركات قليلة حول العالم، مثل دالسا وسوني، تقديم هذه المنتجات، وهي باهظة الثمن.

٤. معدل الإطارات فيها أعلى بكثير من معدل الإطارات في الكاميرات العادية. تستطيع الكاميرات الصناعية التقاط ما بين عشرة إلى عدة مئات من الإطارات في الثانية، بينما تستطيع الكاميرات العادية التقاط إطارين أو ثلاثة فقط في الثانية، وهو فرق كبير.

٥. الناتج عبارة عن بيانات خام، غالبًا ما تكون ذات نطاق طيفي أوسع، مما يجعلها مناسبة لخوارزميات معالجة الصور عالية الجودة، مثل تلك المستخدمة في تطبيقات الرؤية الآلية. الصور الملتقطة بالكاميرات العادية لها نطاق طيفي مناسب فقط للرؤية البشرية، وتُضغط باستخدام MJPEG، مما يؤدي إلى ضعف جودة الصورة وضعف التحليل والمعالجة.

6. إنها أكثر تكلفة من الكاميرات القياسية (DSCs).

كيفية الاختيار:

1. اختر كاميرا CCD أو CMOS حسب الاستخدام. تُستخدم كاميرات CCD الصناعية بشكل أساسي لاستخراج صور الأجسام المتحركة، كما هو الحال في تقنية الرؤية الآلية لآلات وضع الأشياء. ومع تطور تقنية CMOS، أصبحت العديد من آلات وضع الأشياء تعتمد أيضًا على كاميرات CMOS الصناعية. تُستخدم كاميرات CCD الصناعية بشكل عام في حلول الفحص البصري الآلي أو في الصناعات الأخرى. تزداد شعبية كاميرات CMOS الصناعية نظرًا لانخفاض تكلفتها واستهلاكها للطاقة.

٢. عند اختيار الدقة، ضع في اعتبارك أولاً دقة الجسم المراد رصده أو قياسه. اختر دقة بناءً على هذه الدقة. دقة بكسل الكاميرا = مجال الرؤية أحادي الاتجاه / دقة الكاميرا أحادية الاتجاه. وبالتالي، فإن دقة الكاميرا أحادية الاتجاه = مجال الرؤية أحادي الاتجاه / الدقة النظرية. إذا كان طول مجال الرؤية ٥ مم والدقة النظرية ٠.٠٢ مم، فإن الدقة أحادية الاتجاه = ٥ / ٠.٠٢ = ٢٥٠. مع ذلك، لزيادة استقرار النظام، لا يُستخدم بكسل واحد لمطابقة قيمة دقة قياس/ملاحظة واحدة. عادةً ما يتم اختيار تكبير ٤ أو أعلى. لذلك، تتطلب الكاميرا دقة أحادية المحور تبلغ ١٠٠٠، لذا فإن ١.٣ مليون بكسل كافية.

بعد ذلك، فكر في إخراج الكاميرا الصناعية. بالنسبة للمراقبة المجسمة أو تحليل البرامج الآلية والتعرف عليها، تكون الدقة العالية مفيدة. بالنسبة لمخرج VGA أو USB، تعتمد المراقبة على الشاشة على دقة الشاشة. حتى الكاميرا الصناعية عالية الدقة تصبح عديمة الفائدة إذا كانت دقة الشاشة غير كافية. تعد الدقة العالية مفيدة أيضًا لاستخدام بطاقات الذاكرة أو التقاط الصور.

3. مطابقة العدسة: يجب أن يكون حجم شريحة المستشعر أصغر من أو يساوي حجم العدسة، ويجب أن يكون حامل C أو CS متوافقًا أيضًا (أو يمكن إضافة محول).

٤. اختيار معدل إطارات الكاميرا: عند قياس الأجسام المتحركة، اختر كاميرا صناعية ذات معدل إطارات مرتفع. مع ذلك، بشكل عام، كلما زادت الدقة، انخفض معدل الإطارات.

ثانيا. عدسة

المعرفة الأساسية:

1. مطابقة العدسات

كيف تختار العدسة المناسبة؟ عند اختيار عدسة، عليك اختيار عدسة تتناسب مع واجهة الكاميرا وحجم جهاز CCD. العدسات ذات الحوامل C وCS هي الأكثر شيوعًا. تزداد شعبية كاميرات الأمن الصغيرة ذات الحوامل CS، بينما تستخدم صناعة كاميرات FA بشكل أساسي كاميرات ذات الحوامل C ومجموعات عدسات. تتراوح أحجام أجهزة CCD المقابلة في السوق عادةً بين 2/3 بوصة و1/3 بوصة، حسب الاستخدام.

2. قابلية التبادل

يمكن استخدام عدسات C-mount بشكل متبادل مع الكاميرات ذات C-mount وCS-mount؛ لا يمكن استخدام عدسات CS-mount مع الكاميرات ذات C-mount، فقط مع الكاميرات ذات CS-mount.

3. التظليل

عندما تستخدم الكاميرا عدسة ذات جهاز اقتران شحن صغير، فإن المناطق المحيطة التي لا يتم التقاطها بواسطة الصورة تظهر سوداء، وهي الحالة المعروفة باسم "كيراري".

4. وظيفة العدسة:

يتضمن تصميم العدسات طحن مواد متنوعة ذات معاملات انكسار مختلفة لإنتاج أسطح منحنية عالية الدقة، ثم دمجها معًا. ويُعد مبدأه الأساسي تقنية شائعة الاستخدام منذ عهد غاليليو. وللحصول على صور أكثر وضوحًا، يجري البحث والتطوير حاليًا لمواد جديدة وعدسات غير كروية.

3. مصادر الضوء

مصادر إضاءة LED، ومصابيح الهالوجين (مصادر إضاءة الألياف البصرية)، ومصابيح الفلورسنت عالية التردد. تُعد مصادر إضاءة LED الأكثر استخدامًا حاليًا، وتتميز بالميزات الرئيسية التالية:

يمكن تصنيعها بأشكال وأحجام وزوايا إضاءة مختلفة؛

يمكن تصنيعها بألوان مختلفة حسب الحاجة، ويمكن تعديل السطوع في أي وقت؛

يوفر جهاز تبديد الحرارة تبديدًا محسنًا للحرارة وسطوعًا أكثر استقرارًا؛

لديهم عمر خدمة طويل؛

إنها تستجيب بسرعة، وتصل إلى أقصى سطوع في 10 ميكروثانية أو أقل؛

يتميز مصدر الطاقة بوجود مشغل خارجي، مما يسمح بالتحكم في الكمبيوتر، والبدء السريع، ويمكن استخدامه كضوء ستروب؛

تتميز مصابيح LED بتكاليف تشغيل منخفضة وعمر طويل، مما يوفر مزايا كبيرة من حيث التكلفة الإجمالية والأداء؛

يمكن تصميم التصاميم المخصصة وفقًا لاحتياجات العملاء.

يمكن تصنيف مصادر الضوء LED بشكل عام حسب الشكل:

١. مصادر الإضاءة الحلقية: توفر مصادر الإضاءة الحلقية زوايا إضاءة ومجموعات ألوان متنوعة، مما يُعزز التفاصيل ثلاثية الأبعاد للأجسام. كما تتميز بمصفوفات LED عالية الكثافة لضمان سطوع عالٍ، وتصاميم مدمجة متنوعة، وتركيب موفر للمساحة. كما تُعالج مشاكل التظليل القطري. توفر موزعات الإضاءة الاختيارية توزيعًا متساويًا للضوء. تشمل التطبيقات فحص ركيزة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وفحص مكونات الدوائر المتكاملة (IC)، وإضاءة المجهر، ومعايرة شاشات LCD، وفحص الحاويات البلاستيكية، وفحص طباعة الدوائر المتكاملة. ٢. يستخدم الضوء الخلفي مصفوفة LED عالية الكثافة لتوفير إضاءة خلفية عالية الكثافة، تُبرز معالم الجسم وخصائصه، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للاستخدام كمنصة ميكروسكوب. يمكن تكوين الإضاءة الخلفية ثنائية الاستخدام باللونين الأحمر والأبيض، بالإضافة إلى الإضاءة الخلفية متعددة الاستخدامات باللونين الأحمر والأزرق، لإنتاج ألوان مختلفة لتلبية متطلبات تعدد الألوان لمختلف أجسام الاختبار. تشمل التطبيقات: قياس أبعاد الأجزاء الميكانيكية، وفحص مظهر المكونات الإلكترونية والدوائر المتكاملة (IC)، وكشف بقع الأغشية، وكشف خدوش الأجسام الشفافة.

٣. مصدر إضاءة القضبان: تُعدّ مصادر إضاءة القضبان مصدر الإضاءة المُفضّل للهياكل المربعة الكبيرة. يُمكن دمج الألوان ومطابقتها بحرية لتلبية المتطلبات المُحددة، كما يُمكن تعديل زاوية الإضاءة وطريقة التركيب. تشمل التطبيقات: فحص الأسطح المعدنية، ومسح الصور، وكشف الشقوق السطحية، وفحص شاشات LCD.

٤. مصدر ضوء محوري: تُزيل مصادر الضوء المحوري الظلال الناتجة عن عدم استواء السطح، مما يُقلل التداخل. يستخدم بعضها تصميمًا مُقسِّمًا للشعاع لتقليل فقدان الضوء، وتحسين وضوح الصورة، وتوفير إضاءة مُوحدة للسطح. التطبيقات: تُعدّ هذه السلسلة من مصادر الضوء مثالية لفحص الخدوش على الأسطح شديدة الانعكاس، مثل المعادن والزجاج والأفلام والرقائق؛ وكشف كسر الرقائق ورقائق السيليكون؛ وتحديد موقع العلامات؛ والتعرف على الباركود الخاص بالعبوات.

٥. مصدر ضوء خاص بـ AOI: إضاءة ثلاثية الألوان بزوايا مختلفة تُبرز المعلومات ثلاثية الأبعاد للّحام. يُوجِّه مُشتِّت الضوء لتقليل الانعكاسات. تتوفر تركيبات زوايا مختلفة. التطبيقات: يُستخدم لفحص اللحام على لوحات الدوائر الإلكترونية.

٦. مصدر ضوء كروي متكامل: يعكس السطح الداخلي لكرة نصف كروية، بتأثير تكاملي، الضوء المنبعث من أسفلها بالتساوي بزاوية ٣٦٠ درجة، مما يضمن إضاءة موحدة في جميع أنحاء الصورة. التطبيقات: مناسب لفحص الأسطح المنحنية وغير المستوية والمنحنية، بالإضافة إلى الأسطح المعدنية والزجاجية شديدة الانعكاس.

٧. مصدر ضوء خطي: ​​سطوع فائق، باستخدام عدسة أسطوانية لتركيز الضوء، مما يجعله مناسبًا للفحص المستمر في مختلف خطوط التجميع. التطبيقات: مُخصص لإضاءة كاميرات المصفوفات ومجال الاهتمام (AOI). ٨. مصدر ضوء نقطي LED عالي الطاقة، يتميز بحجمه الصغير وشدته الضوئية العالية. يُعد بديلاً لمصابيح الهالوجين بالألياف الضوئية، ومناسبًا بشكل خاص كمصدر ضوء محوري للعدسات. يُطيل تبديده الحراري الفعال عمر مصدر الضوء بشكل كبير. التطبيقات: مناسب للاستخدام مع العدسات المُتمركزة، وفحص الرقائق، وتحديد موقع العلامات، ومحاذاة الرقائق وشاشات LCD.

٩. مصدر إضاءة شريطية مُدمج: توزيع إضاءة شريطية رباعي الجوانب، كل جانب بإضاءة مستقلة قابلة للتحكم. يمكن تعديل زاوية الإضاءة المطلوبة لتناسب الجسم المراد اختباره، مما يوفر مجموعة واسعة من التطبيقات. تشمل التطبيقات فحص ركيزة CB، وفحص مكونات IC، وفحص اللحام، وتحديد موقع العلامة، وإضاءة المجهر، وإضاءة الباركود على العبوات، وإضاءة الأجسام الكروية.

١٠. مصدر ضوء المحاذاة: محاذاة سريعة، مجال رؤية واسع، دقة عالية، حجم صغير لسهولة الفحص والتكامل، سطوع عالي، ومصدر ضوء حلقي إضافي اختياري. التطبيقات: صُمم مصدر ضوء سلسلة VA خصيصًا للمحاذاة في طابعات لوحات الدوائر الإلكترونية الأوتوماتيكية بالكامل. ٤. اختيار مصدر الضوء

1. معلومات المتطلبات الأساسية

(1) محتوى التفتيش: فحص المظهر، التعرف الضوئي على الحروف، قياس الأبعاد، تحديد المواقع

(2) الشيء

ماذا تريد أن ترى؟ (أجسام غريبة، خدوش، عيوب، علامات، أشكال، إلخ.)

حالة السطح (المرآة، السطح الخشن، السطح المنحني، السطح المسطح)

ثلاثي الأبعاد؟ سطح مستو؟

المواد، لون السطح

مجال الرؤية؟

ديناميكية أو ثابتة (سرعة مصراع الكاميرا)

(3) القيود

مسافة العمل (المسافة من أسفل العدسة إلى سطح الجسم الذي يتم قياسه)

ضبط الظروف (حجم الإضاءة، المسافة من أسفل الإضاءة إلى سطح الجسم الذي يتم قياسه، عاكس أو ناقل)

البيئة المحيطة (درجة الحرارة، الضوء الضال الخارجي)

نوع الكاميرا: مصفوفة منطقة أو مصفوفة خطية

2. المعرفة الأولية البسيطة:

(1) تختلف خصائص نفاذية الضوء (الشفافية) باختلاف المواد وسمكها. (2) تختلف قدرة الضوء على اختراق المواد (النفاذية) باختلاف طول موجته. (3) كلما زاد طول موجة الضوء، زادت قدرته على اختراق المادة. وكلما قصر طول موجة الضوء، زاد معدل انتشاره على سطح المادة. (4) الإضاءة المنقولة هي طريقة لنقل الضوء عبر الجسم ومراقبته.

3. مصدر الضوء:

إن مصدر الضوء المستقر والموحد مهم للغاية

الغرض: التمييز بين الكائن الذي يتم اختباره والخلفية بشكل واضح قدر الإمكان

عند التقاط صورة، فإن أهم شيء هو كيفية الحصول بوضوح على: الفرق في الضوء والظلام بين الكائن الذي يتم اختباره والخلفية

حاليًا، تُعدّ المعالجة الثنائية (الأبيض والأسود) الطريقة التقنية الأكثر شيوعًا في مجال معالجة الصور. ولإبراز المعالم والصور المميزة، تُستخدم عادةً أساليب الإضاءة مثل المجال الساطع والمجال المظلم.

المجال الساطع: استخدم الضوء المباشر لمراقبة الجسم بأكمله (يظهر الضوء المبعثر باللون الأسود)

المجال المظلم: استخدم الضوء المتناثر لمراقبة الجسم بأكمله (يظهر الضوء المباشر باللون الأبيض) وتعتمد الطريقة المحددة لاختيار مصدر الضوء أيضًا على الخبرة العملية في التجربة.