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观察系统

本文阐述了技术观察系统运行的一些原理。如果您想了解其实际应用,请点击此处链接

目前的技术观察系统,是生产自动化方面最有前途和发展动力的领域之一。借助此类电子系统,可以将产品质量控制的沉重负担从人力转移到计算设备上。不难看到,这种“担保”必然会带来成本的降低和产品质量的提高。

在俄罗斯技术观察系统历史还不长(约十年),所以这项技术的大部分方法和应用都处于基础研究阶段。但是,这并不妨碍我们使用技术观察系统的所有优势。这种系统很少有通用型的,其研发的目的通常是解决与其他设备(如运输设备、机械加工)相结合的特定任务。

典型的技术观察系统由几台设备构成,并且仅根据任务的条件确定具体的配置(运行速度、程序化方法)。

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图1: 典型配置图

技术观察系统(图1)的标准配置通常是:研究对象(产品)传送系统定位装置 用于拍摄观察对象的一个或多个摄像机观察对象照明系统计算单元

根据技术任务要求,研究对象可以是产品本身或部分,也可以是某种类型的标签(例如瓶子上消费税税票)。研究目的可以是观察对象的几何参数或其质量特性(灰尘、污垢、划痕、裂纹等)。

运输系统的目的,是移动观察对象,使其经过测量点和线路上其他部件。对象运动的速度根据所需的生产线生产率以及观察系统的光学和电子部件的技术能力进行选择。如果传输速度太高,计算机系统可能来不及处理从摄相机接收到的信息,或者摄相机无法提供全面信息。使用的输送机有带式、转盘式等。

定位装置用于发现相机拍摄区域中的物体。在某些任务中,对定位精度要求非常高,观察对象在照片中的位置不能偏移,因为它可能对结果产生负面影响。标准方法是采用由发射器(半导体激光器)、一个单元中的接收器(光电池)和另一个单元中的信号反射镜组成的光学传感器。对于每个拍摄位置以及缺陷点,通常需要具有单独的传感器。传感器的类型可以根据物体的材料而变化:一些传感器不能与透明物体(玻璃)正常工作,并且还具有不同的功率参数,因此,收发器和反射器之间存在距离。

摄像机观察系统中最重要的部分。根据来自位置传感器的信号,当拍摄对象通过拍摄区域时,在曝光时间进行摄影,曝光时间可能不同,并且取决于物体的亮度、其移动速度和照相机的能力。所得到的照片被传送到计算设备以进行处理并随后输出结果。摄像机的重要参数如下:

  1. 得到的图像的分辨率(百万像素)。较高的分辨率可以提高结果的精确度(更详细的照片画面,利于区分微小细节),然而,影响摄像机和计算器之间的传输速度,以及图像处理速度(信息量越大,计算机系统完成“单次”处理所需时间越长)。此外,对于分辨率较高的摄相机,需要更多的光线或更长的曝光时间,这也需要考虑,因为拍摄对象移动太快和曝光时间长时,图像会变得模糊。
  2. 最大拍摄速度(以帧/秒为单位)。如果必须提高生产线的生产效率时,物体在输送机上的移动速度也在增加。对于这样的系统,需要高速摄像机(每秒150-600帧)。在短时间内传输大分辨率的帧的情况下,有可能出现与计算核心的通信信道数量不足的情况。在这些情况下,需要一个中间设备(帧抓取器),它可以在其内部存储帧,这样可以增加通道容量。
  3. 摄像机使用的镜头。镜头的选择直接取决于对象的大小以及被观察区域的大小。大多数现代摄像机镜头使用螺纹连接(C-mount),可以更换镜头。镜头的主要参数是确定视角的焦距以及最小的光圈数,用来实现景深和照明度之间的最佳平衡。
  4. 信息传输接口。大多数摄像机具备使用Gigabit Ethernet能力,即能够每秒传输高达1000Mbps的信息(在8位颜色的情况下为120兆字节或120兆像素)。例如,对于分辨率为640×480的黑白(8位)Dalsa GENIE HM640摄像机,其分辨率为0.3百万像素,有每秒400帧带宽的通道就足够了。制造商将本相机的拍摄速度限制在300帧。如果类似的相机具有分辨率,例如2百万像素的Full HD 1920×1080,那么这种情况下最大Gigabit Ethernet是每秒60帧。为了从这样的摄像机每秒传送400帧,需要具有6400Mbit / s(每秒800兆字节)容量的信道。在这种情况下,需要使用帧抓取器,通常将其插入计算机的“快速”插槽,例如PCI Express。此外,高速通信对通信线的长度具有一定的限制。

对象的照明系统。通常,对于具体任务,需要运用照明观察区域的某些方法。通常使用脉冲式超大功率LED,可以调节发光亮度。在与不同视角(镜面、白色哑光)的反射器一起使用时,光的通过方向和光通量(聚焦和散射)具有重要作用。例如在观察玻璃不均匀性(结瘤)情况下,可以使用光谱照明器,位于观察对象后面的光带颜色交替变化。在结瘤区域,色带方向将发生改变。

计算单元。它是一个计算机或控制器(DSP),能够根据摄像机拍摄的图像进行数学计算。观察对象的照片通过通信通道发送到软件,软件处理和分析接收到的数据。程序会给出处理结果,问题的结果可能是正的或负的(“是或否”)(例如,瓶子上是否有消费税税票),或者对象的某些数值(对象大小、缺口面积,划痕等)。计算单元的主要参数是速度。系统执行计算的时间可能会在狭窄的范围内变化。在高负载(复杂的计算、大数量的摄像机、高分辨率图像)条件下,为达到所需的生产率,可能需要计算单元具备更高的速度,所以选择配套件时,必须考虑到这一点。

我们看看分析一个对象的过程。
观察对象通过传输系统输送到装置入口。当到达位置传感器监视位置时,信号被馈送到相应的摄像机和照明系统。摄像机拍摄观察对象,即所谓的曝光。该过程持续一定时间(曝光时间),在该期间摄像机电池充电(光),充电时间长度取决于观察对象要达到的亮度。曝光结束后,得到的数据通过通信信道传输到计算设备
下一步是处理帧,其中包含几个中间步骤。过滤数据:这些操作可以概括为简化图像。在这个阶段,低层数据处理程序对帧进行处理,去掉不必要的信息(例如,单色化、去除干扰、分隔边缘)。随后,进行查找缺陷、尺寸或其他标志等操作。这些方法通常消耗大量资源,处理时间相当长(毫秒)。然后,计算中心向执行机构发送测量结果,执行机构进行报废处理、报告等操作。