بازرسی ابعادی با دوربین

از نظر ابعادی تلرانس محدودی برای بسیاری از قطعات یا محصولات تولید شده در صنایع مختلف تعریف می شود. اندازه محصول مجاز است در این محدوده تغییر کند. اما چگونه می توان بازرسی ابعادی محصولات را انجام داد؟ یک راه حل آن است که از بین انبوه محصولات نمونه هایی را انتخاب کنیم. به کمک وسایلی مانند شابلون ها، گیج ها، کولیس و یا سایر دستگاه های اندازه گیری، ابعاد مختلف را اندازه بگیریم. در این روش چون تک تک محصولات بررسی نمی شوند احتمالا محصولاتی وجود دارند که در محدوده تلرانس مجاز قرار نگرفته اند.

شاید فکر کنید که اگر تک تک محصولات را با این روش بازرسی کنیم مشکل حل می شود! اما اینطور نیست. فارغ از هزینه زیاد این کار، در این نوع بازرسی نیاز به جابه جا کردن محصول داریم. در عین حال با رشد اتوماسیون در کارخانه ها سرعت تولید محصولات اغلب به قدری زیاد است که از نظر زمانی امکان جا به جایی و کنترل ابعادی تک تک محصولات را نمی دهد. اما چگونه بازرسی ابعادی را با سرعت بالا و روی خط تولید به صورت اتوماتیک انجام دهیم؟

بازرسی ابعادی با پردازش تصویر روی خط تولید

یک بازرس کیفی با مشاهده یک محصول از نظر ظاهری و اندازه گیری ابعاد، محصول را تایید می کند. با پردازش تصویر یک محصول نیز می توان ویژگی های ظاهری مانند اندازه را استخراج کرد. قبل از هر چیز نیاز است تصاویرخوبی را با دوربین صنعتی و لنز مناسب بگیریم و در مرحله بعد به کمک نرم افزار پردازش تصویر، ابعاد محصول را استخراج کنیم. در شکل زیر یک قطعه صنعتی را مشاهده می کنید که اندازه آن شعاع های داخلی آن با پردازش تصویر به دست آمده اند .

 

چگونه اندازه محصول را با کمک پردازش تصویر به دست می آوریم؟!

بیایید ابتدا در مورد مفهوم پیکسل صحبت کنیم. پیکسل در واقع کوچکترین جز هر تصویر است که رنگ و روشنایی ثابتی دارد. میزان روشنایی با یک عدد بین صفر و 255 مشخص می شود.

 

به طور خلاصه اگر ما تعداد پیکسل های بین دو نقطه را روی تصویر بدانیم و با کالیبره کردن دوربین تشخیص دهیم هر پیکسل چه اندازه ای در دنیای واقعی دارد، می توانیم با شمردن تعداد پیکسل ها اندازه واقعی را به دست آوریم. اما یک سوال اینجا مطرح می شود: آیا مفهوم پیکسل برای مشخص کردن مرزهای دقیق یک جسم کافی است ؟

 

پردازش زیر پیکسلی (sub-pixel) و مفهوم لبه یابی (Edge Detection)

مرزهای یک شئ روی تصویر، با تغییر رنگ و شدت روشنایی به صورت لبه، نمایان می شوند. آشکارسازی لبه (Edge Detection) یکی از تکنیک های مهم و پر کاربرد در پردازش تصویر می باشد. با آنکه یک تصویر از هزاران پیکسل تشکیل شده است، لبه های یک جسم، هر چقدر هم صاف باشند، به ندرت ممکن است که به طور دقیق در مرز مابین پیکسل های روی سنسور دوربین فرود آیند. بنابراین اندازه یک پیکسل می تواند دقت اندازه گیری را محدود کند.

برای حل این موضوع محققان با استفاده از داده های موجود روش هایی را برای پیدا کردن دقیق تر لبه ها پیدا کردند. نتیجه این تحقیقات استفاده از آهنگ تغییر خصوصیات رنگی و شدت روشنایی پیکسل های مجاور برای تبدیل یک پیکسل به پیکسل های کوچک تر است. این پیکسل های کوچکتر را subpixel می گویند. در صورت لبه یابی با دقت جزء پیکسل، تلرانس ها برای اندازه گیری به طور چشم گیری کاهش می یابند. در شکل زیر لبه شئ با استفاده از روش بالا تخمین زده شده است. خط قرمز خط عمود بر لبه است که آهنگ تغییر عدد پیکسل ها در راستای آن محاسبه می شود.

 

نقش همزمان رزولوشن دوربین و بزرگنمایی لنز در دقت اندازه گیری ابعادی

یکی از پارامترهایی که در یک دوربین مهم است اندازه فیزیکی یک پیکسل بر روی تراشه ی سنسور دوربین است. اندازه هر پیکسل در روی سنسور یک دوربین از حدود ۱۰*۱۰ میکرون شروع شده و با افزایش رزولوشن آن این اندازه کاهش می یابد. یکی از مهم ترین نتایجی که می توان از دو پارامتر اندازه پیکسل در سنسور یک دوربین و بزرگنمایی لنز استفاده شده به آن رسید، مقدار سطحی از محیط واقعی است که توسط یک پیکسل دریافت می شود.

بزرگنمایی/اندازه یک پیکسل روی سنسور = اندازه متناظر یک پیکسل در جهان

عدد محاسبه شده ،دقت اندازه گیری (Resolution) در هنگام استفاده از این لنز و دوربین خواهد بود. البته در بخش های نرم افزاری، با استفاده از تکنیک های subpixel می توان لبه ها را با دقتی ۵ تا ۱۱ برابر دقیقتر از این مقدار بدست آورد.

بهترین لنز برای کنترل ابعادی : لنز تلسنتریک

مهم ترین عواملی که روی دقت اندازه گیری تاثیر منفی دارند عبارت اند از:

1.  غیر ثابت بودن بزرگنمایی در لنز های معمولی
2.  انحرافات تصویری (image distortion)
3.  ایراد ناشی از پرسپکتیو
4.  عدم کنتراست مناسب برای تشخیص مطمئن لبه ها.

لنزهای Telecentric با کاهش و یا حذف این مشکلات توانسته است به عنوان یک مهره کلیدی برای پیاده سازی و توسعه سیستم های اندازه گیری با دقت بالا تبدیل گردند. در ادامه در مورد مزیت های لنزهای تلسنتریک که مشکلات بالا را کم رنگ می کند، صحبت می کنیم.

1.ثابت بودن بزرگنمایی

در لنزهای معمولی هنگامی که جسم جابجا می شود، اندازه تصویر به دست آمده از جسم بر اساس فاصله جسم تا لنز تغییر می کند، به گونه ای که اشیاء دورتر، کوچک تر و اشیاء نزدیک تر، بزرگ تر به نظر می آیند. به عبارت دیگر بزرگنمایی لنزهای معمولی ثابت نیست‌ و همانند شکل زیر تصویر شئی دورتر کوچکتر می شود. 

 

اما همانطور که در شکل نشان داده شده، در لنز Telecentric اندازه تصویر روی سنسور دوربین با جابجایی جسم بین نقاط 1 و 2 و 3 بدون تغییر باقی مانده است. البته این خاصیت در محدوده ای خاص از فاصله جسم تا لنز وجود خواهد داشت که آن را عمق دید (Depth of Field) یا Telecentric range می گویند. دلیل این مسئله آن است که در لنز تلسنتریک به خاطر ساختار درونی آن فقط شعاع های نوری که با محور لنز موازی هستند از لنز عبور می کنند و جهت این شعاع ها با جابه جایی تصویر تغییر نمی کند.

2.کاهش از فرم افتادگی (Distortion)

از ریخت افتادگی (Distortion) به صورت درصد تفاوت مابین فاصله بین یک نقطه از تصویر تا مرکز آن تصویر، در یک تصویر دارای انحراف، و فاصله همان دو نقطه در یک تصویر بدون انحراف تعریف می شود. از ریخت افتادگی دایره ای مثبت را، از ریخت افتادگی بالشتکی (pincushion) و منفی آن را ،از ریخت افتادگی بشکه ای (barrel) نیز می گویند. دو نوع از ریخت افتادگی در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم های اپتیکی عمومی از ریخت افتادگی را در بازه چند درصد تا چند ده درصد را نشان می دهند که این مسئله اندازه گیری را به طور قابل توجهی مشکل می نماید.

3.کاهش اثر پرسپکتیو

به این نکته اشاره شد که در لنز های معمولی، اشیاء دورتر کوچک تر دیده می شود. همانگونه که در شکل سمت چپ می بینید قسمت داخلی استوانه توخالی قابل رویت است، چون هر مقطعی از جسم که از لنز دورتر می شود کوچک تر دیده می شود. اما در لنزهای تلسنتریک که فقط شعاع های نوری موازی با محور لنز را دریافت می شود عملا با حذف و عدم نمایش یک بعد، یک تطابق دو بعدی بین جسم و تصویر ایجاد می گردد که برای اندازه گیری شکل پروفیل بسیار مناسب است.

 4.وضوح مناسب تصویر

از آنجایی که ساختار لنزهای Telecentric هماهنگی لازم را با دوربین های رزولوشن بالا دارند، این لنزها را گزینه مناسبی برای کاربردهای اندازه گیری ابعادی هستند.

کالیبره کردن دوربین با نرم افزار پردازش ابعاد چگونه انجام می شود؟

همانطور که گفته شد با بهبود تجهیزات می توان از ریخت افتادگی تصویر را کاهش داد، علاوه بر آن با کالیبره نرم افزاری نیز می توان این انحرافات را تا حد قابل قبولی کم کرد. برای این کار یک الگوی مشخص، در جلوی دوربین قرار می دهند. این الگو با ابعاد دقیق، در نرم افزار تعریف شده است. نرم افزار با محاسبه تفاوت مابین الگوی پیش فرض و تصویر گرفته شده از آن، پارامتر هایی برای جبران انحرافات پیدا میکند تا بتواند این پارامترها را روی سایر تصاویر اعمال نماید. این پارامتر ها را در دو دسته متفاوت می توان قرار داد.

 1.کالیبره پارامتر های داخلی دوربین

در هنگام استفاده از هر نوع دوربین و لنزی، به خاطر ساختمان درونی آن ها، انحرافاتی در تصویر بدست آمده وجود دارد. یکی از مهمترین آن ها انحراف دایره ای تصویر (Radial distortion) می باشد. انحراف دایره ای باعث خمیده شدن خطوط صاف موجود در تصویر می شود. انحراف دیگر، کشیدگی تصویر در قسمت های دور از مرکز تصویر می باشد‍؛ که به آن انحراف ذوزنقه ای می گویند. این انحرافات بسته به تکنیک مورد استفاده در قالب ۵ تا ۹ پارامتر تعریف می شوند و قابل کالیبره شدن هستند. در شکل زیر از راست به چپ انحراف دایره ای و ذوزنقه ای نمایش داده شده است.

 2.کالیبره پارامتر های خارجی دوربین

پارامتر های خارجی دوربین شامل همه پارامترهایی است که از موقعیت دوربین نسبت به جسم ناشی می شود. به زبان ساده تر، تبدیل اندازه های بدست آمده از تصویر با واحد پیکسل به واحدهای دنیای واقعی مانند میلیمتر نیازمند کالیبره پارامترهای خارجی دوربین می باشد.

کاربردها و مزیت های اندازه گیری ابعادی در سیستم های بینایی ماشین

همانطور که گفته شد، با کمک بینایی ماشین می‌توان ابعاد مختلف اجسام را با سرعت بالایی اندازه‌گیری کرد و مشخص نمود آیا در محدوده تلرانس تعریف شده قرار دارند یا خیر. موارد زیر از کاربردهای متداول بینایی ماشین در اندازه گیری می باشد:

• اندازه‌گیری ابعاد قطعات یا محصولات
• اندازه‌گیری قطرهای داخلی یا خارجی
• اندازه‌گیری گردی یا زاویه نوک قطعات فلزی
• اندازه‌گیری موقعیت لبه‌ها و برچسب‌ها
• اندازه‌گیری عرض محصولات ورقه‌ای و لایه‌های نازک

در شکل زیر مثال هایی از اندازه گیری موقعیت لبه ها و میزان گرد بودن را مشاهده می کنید .

 

در تصویر زیر به کمک بینایی ماشین ابعاد مختلف دهانه بطری و یک خازن دست آمده است.

بازرسی ابعاد با استفاده از یک سیستم بینایی ماشین می‌تواند اندازه محصولات را در حین تولید و به صورت صد درصدی بررسی کند. که این امر، پایداری کیفیت محصول را تضمین می‌کند. در عین حال این سیستم در مقایسه با بیشتر روش‌های پیشرفته اندازه‌گیری ابعاد شامل مقایسه‌کننده‌های نوری، سیستم‌های اندازه‌گیری GD&T و سیستم‌های اندازه‌گیری سه بعدی هزینه به مراتب کمتری دارد.

این نوع از بازرسی، علاوه بر خطاهای ابعادی محصول، داده‌های مربوط به اندازه دقیق بخش های مختلف را نیز ارائه می‌دهد. این داده‌ها را می‌توان به راحتی ذخیره و مدیریت کرد. چنین اطلاعاتی می‌تواند به طور موثر به جهت مدیریت خطاهای خط تولید یا بهبود فرآیند استفاده شود.