Conocimientos básicos de visón artificial

Aplicación práctica de la visión artificial
en el control de procesos industriales
Conocimientos básicos de visión artificial
Fecha: Abril 2012
© INSTITUT LA GARROTXA
ALBERT NOGUÉ / JORDI ANTIGA
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Dossier técnico
INDICE
1. Declaración de intenciones .................................................................................................................. 4
2. Qué es un sistema de vision artificial ................................................................................................... 4
2.1 Definición ...................................................................................................................................... 4
2.2 Objetivos de la visión artificial........................................................................................................ 4
2.3 Comparativa .................................................................................................................................. 5
2.3 Comparativa .................................................................................................................................. 5
3. Elementos que componen un sistema de visión .................................................................................. 6
3.1 Iluminación .................................................................................................................................... 6
Iluminación frontal ............................................................................................................................... 9
Iluminación lateral ............................................................................................................................. 10
Iluminación por campo oscuro (dark field) ......................................................................................... 11
Iluminación por contraste (backlight) ................................................................................................. 12
Iluminación axial difusa ..................................................................................................................... 13
Iluminación difusa tipo domo ............................................................................................................. 14
Iluminación por láser ......................................................................................................................... 15
Distáncia focal ................................................................................................................................... 16
Foco o enfoque ................................................................................................................................. 17
Profundidad de campo ...................................................................................................................... 17
Apertura del diafragma ...................................................................................................................... 18
Tubos de extensión ........................................................................................................................... 19
Selección de ópticas ......................................................................................................................... 20
Problemas de las ópticas .................................................................................................................. 22
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Ópticas telecéntricas ......................................................................................................................... 23
3.3 Elemento sensor o cámara.......................................................................................................... 24
3.4 Sistema de control o controladores ............................................................................................. 26
4. Equipos de visión artificial .................................................................................................................. 27
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1. DECLARACIÓN DE INTENCIONES
El objetivo de esta documentación es el de la elaboración de material didáctico para formar a las nuevas
generaciones de técnicos en automatización, en un campo con muchas perspectivas de futuro como es el de la
visión artificial. Actualmente ya se están implementando estos sistemas de control e inspección en multitud de
procesos industriales sin saber de momento hasta dónde llegarán o cómo evolucionarán. Es por este motivo
que esta tecnología está muy presente en los controles automatizados del presente y del futuro.
2. QUÉ ES UN SISTEMA DE VISIÓN ARTIFICIAL
2.1 Definición
Un sistema de visión artificial es un sensor avanzado capaz de adquirir energía electromagnética de una
escena y convertirla en una imagen que posteriormente un procesador podrá comparar con unos estándares
de criterio previamente predefinidos.
(Wikipedia) La visión artificial, también conocida como visión por computador (del inglés computer vision) o
visión técnica es un subcampo de la inteligencia artificial. El propósito de la visión artificial es programar un
computador para que "entienda" una escena o las características de una imagen.
Los sistemas de visión artificial deben ser considerados como un elemento para la protección de fallos en el
proceso de producción y detectar anomalías antes de añadir valor al producto; en ningún caso podrán ser
considerados sistemas para mejorar directamente la producción ya que no intervienen en el proceso de
producción.
2.2 Objetivos de la visión artificial
Los objetivos de la visión artificial son esencialmente mejorar la productividad y la calidad en las operaciones
de fabricación, disminuir el número de piezas defectuosas, cumplir con las expectativas impuestas por el cliente
final, maximizar el rendimiento de la maquinaria y detectar, identificar y visualizar defectos antes de añadir valor
al producto.
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2.3 Comparativa
Los sistemas de visión artificial pretenden ser tan avanzados y complejos como el propio ojo humano. En
procesos de medición de precisión ya lo han superado, pero en otros aún falta tecnología para tan siquiera
igualarlo. En el siguiente cuadro resumen podemos ver una comparativa visión artificial vs visión humana.
VISIÓN HUMANA VS VISIÓN ARTIFICIAL
CAPACIDADES
Distancia
Orientación
VISIÓN ARTIFICIAL
VISIÓN HUMANA
Capacidades limitadas
Buena capacidad
Buena para 2D
Buena capacidad
Limitada, sensible al objeto a
inspeccionar
Requerimiento de existencia
de alto contraste en la imagen
Buena para diferencias
cuantificables
Elevadas capacidades
Capacidades limitadas
Muy desarrollada
Limitado sobretodo en B/N
Muy desarrollada
Valoración en 2D
Excelente
Muy desarrollada
Valoración en 3D
Capacidades limitadas
Muy desarrollada
Limitado por el tamaño de los
píxeles
Fracciones de segundo por
imagen
Limitado a imágenes de alto
contraste
Capacidades de alta
resolución
Procesamiento en tiempo real
Aceptable
Muy sensible
Alto para poco volumen
Bajo para poco volumen
Óptimo para grandes
producciones
Óptimo para poca producción
o muy variable
Movimiento
Detección de bordes
Imágenes parcialmente
ocultas
Interpretación de la imagen
Sombras en la imagen
Resolución
Tiempo de procesado
Discriminación
Sensibilidad
Coste de operación
Coste total
Buena capacidad
Valoración cualitativa
Discriminación muy elevada
* Podemos apreciar que de momento la visión humana gana sobradamente.
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3. ELEMENTOS QUE COMPONEN UN SISTEMA DE VISIÓN
3.1 Iluminación
La iluminación en un sistema de visión artificial es sin duda un factor muy importante en la resolución
de la aplicación. Pensemos que las cámaras capturan la luz reflejada de los objetos para su posterior
análisis. El propósito de la iluminación es el de controlar la forma en que la cámara va a ver el objeto
para determinar si cumple con las especificaciones requeridas. Sin duda, si se utiliza la iluminación
correcta en una aplicación, esta será de fácil solución. Por el contrario, si se utiliza una iluminación
inapropiada, dicha aplicación puede que sea de imposible solución. Los objetivos de la iluminación
son: optimizar el contraste, normalizar cualquier variación de la iluminación ambiente y simplificar el
proceso de tratamiento posterior de la imagen (si se utilizan filtros por software el tiempo de
procesado se ve incrementado).
En el mercado encontramos distintas opciones para la iluminación, aquí una muestra.
Halógenas
Muy luminoso
Ajustable
No se puede utilizar como luz estroboscópica
Caliente
Se degrada con el tiempo
Consejo: Regula la intensidad lumínica al 80% y mantener la tensión constante.
Incandescencia
Económicas
No se puede utilizar como luz estroboscópica
Caliente
Se degrada con el tiempo
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Fluorescentes
Multitud de formas y tamaños
Iluminación difusa minimiza los reflejos
No se puede utilizar como luz estroboscópica
Parpadeo
Difícil de atenuar
Se degrada con el tiempo
Consejo: Utiliza balastros de alta frecuencia para reducir el parpadeo.
Laser
Se puede utilizar como luz estroboscópica
Dirigible
Útil en 3D
Caro
Textura granulosa
Frágil
Seguridad ocular para los trabajadores
Xenón
Se puede utilizar como luz estroboscópica
De alta intensidad en períodos cortos (flash)
Se degrada con el tiempo
Nota: las luces estroboscópicas suelen ser de xenón.
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LED (Light Emitting Diode)
De larga duración (10.000 horas o más)
Se puede utilizar como luz estroboscópica
Disponible en longitudes de onda específicas (colores)
Bajo consumo
Caro ¿?
Nota: Actualmente las iluminaciones LED son las más utilizadas.
Halógena, incandescente, fluorescente, láser, LED, ultravioletas… cada una de ellas emiten luz en
diferentes longitudes de onda (colores) útiles para las distintas inspecciones. A continuación
podemos ver las longitudes de onda (figura 1) y el espectro del ojo humano y de las cámaras
(figura2).
*(Una luz estroboscópica es aquella que se enciende y se apaga en fracciones de segundo, como
por ejemplo el flash de una cámara fotográfica o las luces flash de las discotecas).
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Existen distintas técnicas de iluminación para resaltar aspectos de los objetos a analizar. A
continuación explicamos los sistemas de iluminación más utilizados en sistemas de visión artificial.
ILUMINACIÓN FRONTAL
La cámara se posiciona mirando al objeto en la misma dirección que la luz. Esto reduce las sombras,
suaviza las texturas y minimiza la influencia de rayas, polvo e imperfecciones que pueda tener el
objeto. La cámara recibe la luz reflejada del objeto. Este tipo de iluminación se consigue mediante
anillos de luz.
Aplicaciones: indicada para superficies con pocos reflejos: papel, tela… para la detección de marcas
de diferentes colores, caracteres y detección de todo lo que suponga un cambio de color en
prácticamente cualquier superficie.
Ventajas: elimina sombras, se puede utilizar a grandes distancias cámara/objeto.
Inconvenientes: intensos reflejos sobre superficies reflectantes.
Sin iluminación
Con iluminación
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ILUMINACIÓN LATERAL
La cámara se posiciona mirando al objeto mientras que la dirección de la luz es lateral al objeto. El
grado de inclinación del elemento emisor de luz vendrá determinado por el grado deseado de resalte
de los relieves.
Aplicaciones: indicada para resaltar bordes, rayas y fisuras en una dirección determinada.
Ventajas: resalta los relieves por pequeños que sean de los objetos, resultando una sombra muy
definida.
Inconvenientes: con ángulos pequeños respecto a la horizontal, la luz producirá sombras en todos los
relieves y en el contorno de la pieza.
Inspección de latas con luz lateral
Lata sin defectos
Lata con defectos
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ILUMINACIÓN POR CAMPO OSCURO (DARK FIELD)
La luz es emitida lateralmente con un ángulo muy pequeño mediante un anillo en todas las
direcciones, rebotando en los defectos del objeto a analizar e incidiendo en la cámara.
Aplicaciones: indicada para resaltar incrustaciones y códigos alfanuméricos con poco contraste en
metal sobre metal o gris sobre gris. Muy utilizada en la verificación de grabados tipo láser o troquel.
Ventajas: destaca los detalles en superficies con muy poco contraste.
Inconvenientes: no es recomendable en superficies que absorban la luz.
Sin Darkfield
Con Darkfield
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ILUMINACIÓN POR CONTRASTE (BACKLIGHT)
La luz es emitida desde la parte posterior del objeto quedando este entre la fuente de iluminación y la
cámara. La iluminación tiene que ser uniforme en toda la superficie del objeto. La cámara
inspecciona la silueta del objeto por contraste pudiendo realizar mediciones muy precisas, ya que se
eliminan por completo las sombras producidas por la iluminación.
Aplicaciones: indicada para la inspección de la silueta del objeto. Utilizada también en materiales
translúcidos o transparentes para detectar manchas, rayas, grietas…
Ventajas: permite inspecciones de siluetas con mediciones muy precisas y de impurezas en los
objetos transparentes o translúcidos.
Inconvenientes: no permite reconocer los detalles superficiales del objeto, códigos, inscripciones, etc.
Inspección de filamentos de bombillas
Sin Backlight
Con Backlight
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ILUMINACIÓN AXIAL DIFUSA
La luz es emitida lateralmente siendo reflejada 90º por un espejo semitransparente que desvía los
haces de luz en la misma dirección que el eje de la cámara, consiguiendo una luz difusa homogénea.
En superficies planas reflectantes si no se utiliza este método de iluminación, la cámara vería
reflejado su propio objetivo.
Aplicaciones: indicada para la inspección superficies planas reflectantes, como PCB, etiquetas
reflectantes, inspección de impresión sobre aluminio o cavidades profundas.
Ventajas: permite inspecciones de códigos en materiales altamente reflectantes.
Inconvenientes: no permite reconocer relieves en el objeto.
Inspección de cojinetes
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ILUMINACIÓN DIFUSA TIPO DOMO
La luz es emitida dentro de una cúpula esférica resultando una luz difusa desde todas direcciones,
eliminando sombras y reflejos, suavizando texturas y minimizando la influencia de rayas, polvo,
relieves y curvaturas que pueda tener el objeto inspeccionado. A este tipo de iluminación también se
le denomina iluminación de día nublado por no producir ningún tipo de sombra al objeto.
Aplicaciones: indicada para la inspección de superficies tales como instrumental médico, espejos,
compact disk, latas, etc.
Ventajas: eliminación de sombras y minimizador de arrugas, polvo y relieves.
Inconvenientes: coste elevado.
Luz Frontal
Luz Difusa
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ILUMINACIÓN POR LÁSER
La iluminación mediante láser o luz estructurada se utiliza normalmente para resaltar o determinar
una tercera dimensión de un objeto. Se trata de colocar la fuente de luz láser en un ángulo conocido
con respecto al objeto a iluminar y a la cámara, de forma que viendo la distorsión de la luz pueda
interpretarse la profundidad de los objetos a medir. También se utiliza para indicar el trazado por el
que se debe ajustar un proceso, por ejemplo en aplicaciones de corte.
Para realizar una inspección en 3D de un objeto, se proyecta una línea de luz. Las distorsiones en la
línea se traducen en variaciones en la altura. De aquí se puede desprender una forma en 3D
detectando la falta o exceso de material o llegar a hacer una reconstrucción en tres dimensiones del
objeto.
Aplicaciones: ajuste de procesos de corte, control de profundidad de objetos...
Ventajas: no le influye la iluminación externa.
Inconvenientes: coste elevado. Si se utilizan lentes cilíndricas para conseguir una línea o un patrón
concreto, el láser no tiene la misma intensidad lumínica a lo largo del patrón.
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3.2 Ópticas
Las ópticas se utilizan para transmitir la luz al sensor de la cámara de una forma controlada y así
obtener una imagen enfocada del objeto.
Para determinar cuál es la lente apropiada para la aplicación que se desea resolver, se deben tener
en cuenta una serie de parámetros: tamaño del sensor de la cámara, distancia entre la cámara y el
objeto y campo de visión o tamaño del objeto. Con estos datos y utilizando una fórmula podemos
calcular la óptica a utilizar en cada aplicación, pero antes de realizar estos cálculos necesitamos
conocer unos conceptos básicos de las ópticas.
DISTANCIA FOCAL
La distancia focal es la medida en mm relativa a la distancia entre la lente y el elemento sensor. La
imagen sale invertida debido a la lente del objetivo, que invierte la imagen al recibir los rayos de luz.
Los objetivos de las cámaras tienen una distancia focal fija o variable, dependiendo del tipo de
objetivo. Al variar la distancia focal conseguimos un menor o mayor acercamiento del objeto,
comúnmente llamado zoom.
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Estando a la misma distancia de trabajo, lentes con diferente distancia focal muestran la misma
imagen en distinto tamaño.
FOCO O ENFOQUE
Normalmente las ópticas utilizadas en sistemas de visión artificial tienen una distancia focal variable,
también denominada foco o enfoque. Es muy importante que el objeto a analizar esté perfectamente
enfocado para su posterior análisis. El rango en que una lente ofrece nitidez está entre el infinito y
una distancia mínima esta distancia depende de la distancia focal.
Anillo de enfoque
PROFUNDIDAD DE CAMPO
Es la distancia en la que los objetos aparecen enfocados. A menor apertura del diafragma, mayor
será la profundidad de campo.
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APERTURA DEL DIAFRAGMA
El diafragma es una parte del objetivo que limita el nivel de luz que penetra en la cámara y a su vez
al CCD. Funciona como el iris humano, abriéndose o cerrándose permitiendo que entre más o menos
luz. La posición de abertura o cierre del objetivo se denomina apertura del diafragma y se mide en
números f.
Óptica totalmente
abierta f=1.4
Óptica medio
abierta f=7
Óptica casi
cerrada f=11
Anillo de apertura
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TUBOS DE EXTENSIÓN
Un tubo o extensión es un anillo que se coloca entre la cámara y la lente incrementando la distancia
entre esta y el sensor CCD/CMOS. Al inspeccionar objetos pequeños la distancia mínima de trabajo
del objetivo puede ser insuficiente, por lo que podemos utilizar tubos de extensión para reducir la
distancia de trabajo.
La utilización de tubos de extensión también comporta algunos problemas, como que la óptica no
enfocará al infinito o que la zona central de la imagen aparecerá más iluminada que los bordes por
eso se deben utilizar cuando realmente son necesarios.
En la siguiente tabla podemos ver la relación entre la distancia focal de la óptica y la utilización de
tubos de extensión. Así con un objetivo de 12mm y un tubo de extensión de 5mm encuadramos una
imagen entre 2 y 3 cm.
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SELECCIÓN DE ÓPTICAS
Una vez conocidas todas las partes de un objetivo llega el momento de determinar cuál es el objetivo
idóneo para la aplicación a realizar.
Opción 1 : utilizando la siguiente fórmula
Opción 2 : los fabricantes de objetivos facilitan también programas de cálculo para determinar
cuál es el objetivo idóneo.
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Opción 3 : utilización de tablas de cálculos
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PROBLEMAS DE LAS ÓPTICAS
No todo es perfecto y muestra de esto es que las ópticas, por buenas que sean, siempre realizan
alguna distorsión en la imagen captada. Estas distorsiones o aberraciones son el cambio de la
representación geométrica de un objeto en el plano de la imagen. Por ejemplo, un rectángulo puede
aparecer como una figura geométrica curvada hacia adentro (almohadilla) o hacia fuera (barril).
La distorsión de la imagen puede causar serios problemas en las aplicaciones de visión artificial.
En las características técnicas de las ópticas acostumbran a expresar en porcentajes la distorsión
producida por la misma.
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ÓPTICAS TELECÉNTRICAS
Otro problema es la perspectiva del propio objeto. Dependiendo de la forma geométrica del objeto a
analizar podemos tener problemas con las mediciones del mismo, ya que las ópticas estándar se ven
afectadas por el ángulo de adquisición de la imagen. Para solucionar este problema existen ópticas
telecéntricas con las que se asegura una visión totalmente paralela de los objetos a analizar.
Para la construcción de una óptica telecéntrica la lente tiene que ser igual o mayor que el objeto y de
gran calidad. Eso hace que este tipo de ópticas sean aproximadamente 10 veces más caras que las
estándar.
Campo de visión
Óptica estándar
Óptica telecéntrica
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3.3 Elemento sensor o cámara
La función de las cámaras de visión artificial es capturar la imagen proyectada en el sensor, mediante
las ópticas, para poder transferirla a un sistema electrónico y que pueda ser interpretada,
almacenada y/o visualizada. Han tenido una rápida evolución en los últimos años, que parece no
haber llegado a su fin. Actualmente se basan en tecnologías CCD (Charge Coupled Devide) o CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor), pero la función de cada una de ellas es la misma:
convertir los fotones en carga eléctrica y transformarla en una imagen. Estas cámaras también se les
puede decir cámaras matriciales o de área, ya que el sensor de la cámara cubre un área o matriz de
píxeles donde llegan los fotones. Los tamaños más estándar de CCD están definidos en pulgadas
siendo los más utilizados los de 1/3”, 1/2” y 2/3”.
*(1Pulgada =25,40mm)
Las cámaras de visión artificial tienen similitud con las cámaras digitales que actualmente se utilizan,
pero con algunas prestaciones más elevadas, sobretodo en el control de disparo “trigger” o en el
tratamiento de la imagen.
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Los sensores de las cámaras de visión artificial actuales son mayoritariamente CCD. Están
compuestos por millones de pequeños semiconductores de silicio (diodos), los cuales captan los
fotones convirtiéndolos en señales eléctricas. A mayor intensidad de luz, más carga eléctrica existirá.
El número de píxeles viene determinado por la cantidad de semiconductores del sensor que codifica
esta información en un valor digital a través de su conversor analógico digital y da una salida digital
en formato binario que en realidad es la imagen captada una vez digitalizada.
Actualmente podemos encontrar cámaras de visión artificial con una resolución de hasta 22
megapíxeles, por lo que hace necesario un sistema de comunicación rápido y fiable. Esta
comunicación se hace mediante sistemas estándar sobretodo Ethernet-IP, ya sea en un equipo
autónomo como los que utilizamos nosotros o mediante PC.
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3.4 Sistema de control o controladores
Los sistemas de visión artificial tienen una jerarquía de control muy definida.
Captación: proceso en el que el equipo obtiene una imagen visual del objeto a inspeccionar. Es de
vital importancia para una correcta captación la buena elección de la iluminación y los elementos
ópticos de la cámara.
Instrucciones: son las operaciones normalmente de software para mejorar la captación de la
imagen. El programador tiene que ser consciente de que normalmente estas instrucciones alargarán
el tiempo de procesado.
Procesado: proceso en el que el equipo trata la imagen adquirida y aplica las instrucciones
impuestas por el programador. Este tiempo es el que tarda el equipo en comprobar las mediciones o
inspecciones deseadas.
Actuación: proceso en el que el equipo gestiona el resultado dando una salida ya sea de OK o NG o
el valor o resultado demandado.
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4. EQUIPOS DE VISIÓN ARTIFICIAL
Podríamos definir los equipos de visión artificial en dos grupos:
Equipos compactos (cámaras inteligentes): incorporan todos los elementos explicados
anteriormente integrados y en un formato compacto y de fácil utilización.
Ventajas
Fácil programación
Coste reducido
Para aplicaciones sencillas
Herramientas de medida incorporadas
Iluminación integrada
Ideales para procesos de pass or no pass
Inconvenientes
No apropiadas para aplicaciones complejas
Solo incorporan un sistema de iluminación (frontal)
Distancia focal definida por el fabricante
Difícil ampliación
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Equipos independientes: se tienen que elegir todos los elementos explicados anteriormente.
Ventajas
Para aplicaciones con complejidad
Modulares
Elección de los componentes más apropiados
Muchas herramientas de medida
Inconvenientes
Coste elevado
Sistemas de programación de alto nivel
Normalmente basados en PC
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