Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Optická kontrola kvality řádkovou kamerou

Snímání výrobků na pohyblivém pásu, inspekce potisku na odvíjející se roli papíru, třídě­ní zrn rýže, kukuřice a jiných sypkých potravin, kontrola kvality ovoce, povrchová kont­rola plechu ve válcovnách. To je jen stručný výčet úloh, které jsou řešeny s použitím řád­kových kamer. Jejich doménou jsou zejména vysokorychlostní úlohy vyžadující snímat s velmi vysokým rozlišením a zpracovávat obrovská množství dat v reálném čase. Tento článek má za cíl seznámit čtenáře s principy a technologiemi řádkových kamer a jejich zavedením v úlohách strojového vidění.

 

Kontrola barevného tisku

Vysokorychlostní barevné řádkové kame­ry jsou předurčeny pro snímání barevného tis­ku při výrobě různých štítků, obalových ma­teriálů nebo etiket. Obvyklým požadavkem je vysoká rychlost snímání, neboť snímaný materiál se pohybuje rychlostí desítek až sto­vek metrů za sekundu. Pro kvalitní inspek­ci barevných odstínů je vy­žadováno homogenní a ča­sově stálé osvětlení, velmi dobrý objektiv a kalibrova­ná kamera s velmi nízkým šumem. Mimořádný důraz je v tomto případě kladen na věrné zobrazení barev s jemným odlišením barev­ných odstínů. Těmto poža­davkům nejlépe vyhoví ka­mery 3CCD řady Sweep+ z produkce firmy JAI.
 
Samostatnou kapitolou je kontrola tisku a ochranných prvků bankovek. K tomu jsou obvykle používány ka­mery 4CCD, kdy je barev­ný tisk snímán třemi senzory (Red, Green, Black) a ochranné prvky jsou sní­mány monochromatickým snímačem v blízkém infra­červeném světle (Near-IR). Příkladem kamery 4CCD je JAI LQ-200CL.
 

Kontrola povrchu ocelového plechu

Úlohou kamerového sys­tému většinou bývá odha­lovat nečistoty, nerovnosti a škrábance na lesklém ple­chu. Ke splnění takového úkolu je velmi vhodná některá z monochromatických kamer Basler řady sprint s vysokým rozlišením ve spolupráci s koaxiálním osvětlením nebo difuzním osvětlo­vačem. K odhalování děr v materiálu je ideál­ní zadní osvětlovač a v případě plechu velké tloušťky také telecentrický objektiv. Nejrych­lejší řádkové kamery Basler sprint dokážou snímat až 140 tisíc řádků za sekundu, a jsou tedy vhodné pro použití v místech, kde jsou převíjeny role plechu.
 

Kontrola kvality netkaných textilií

Typický kamerový systém pro inspek­ci netkaných textilií kontroluje povrchovou strukturu, odhaluje díry, překlady textilu, cizí tělesa apod. Kamera musí být dostatečně cit­livá, aby při velké rychlosti snímání zachy­tila i jemné detaily (např. zadrhnutá místa). Vhodné je zvolit kamery s vysokým rozliše­ním (4 000 pixelů a více) a intenzivní linio­vý osvětlovač. Ideálním světlem pro tyto úlo­hy může být Corona II od firmy Chromasens.
 

Princip řádkové kamery

Řádková kamera obsahuje snímač, kte­rý má v principu jeden jediný řádek obrazo­vých bodů (pixelů). Kamera pracuje v pod­statě jako kancelářský skener. Pod kamerou se lineárně pohybuje snímaný objekt nebo pás a kamera jej snímá řádek po řádku a skládá dohromady obraz, který posílá ke zpracování do nadřazeného systému pro zpracování ob­razu. Toto uspořádání umožňuje snímat po­hyblivé materiály vysokou rychlostí s poměr­ně velkými detaily.
 
Při požadavku snímat pohybující se před­měty klasickou kamerou s plošným sníma­čem by bylo nutné volit velmi krátký expo­ziční čas a velmi intenzivní zábleskové svět­lo, aby bylo možné se vyhnout rozmazání obrazu vlivem pohybu snímaného předmětu. Oproti tomu je lineární snímač ve srovnání s plošným senzorem až několikanásobně cit­livější. Proto může snímat s velmi krátkým expozičním časem vysokou rychlostí v řádu desítek tisíc řádků za sekundu. K nasvícení snímaného místa postačí intenzivní liniové světlo, které soustřeďuje veškerý světelný tok do úzké linky.
 

Objektivy pro řádkové kamery

U objektivů pro řádkové kamery jsou vy­žadovány specifické vlastnosti. Vzhledem k obvyklé velikosti pixelů řádkových ka­mer není třeba mimořádně vysoké rozlišení objektivu. Mnohem důležitější je schopnost vykreslit obraz i na senzor o velikosti několika centi­metrů při co nejmenším vli­vu vinětace a ztmavování okrajů. Mimořádný důraz je kladen na rovnoměrné rozlo­žení kontrastu a jasu v celém zorném poli, nikoliv na ma­ximální rozlišení. Ty nejkva­litnější objektivy jsou proto vyráběny pro specifický roz­sah zvětšení, ve kterém je garantován stálý optický vý­kon. Zvláštní kapitolou jsou objektivy pro 3CCD a mul­tispektrální kamery, kde je vyžadována velmi nízká ba­revná vada z důvodu prů­chodu světla optickým roz­dělovačem (beam splitter) uvnitř kamery.
 

Světla

Osvětlovače pro použití s řádkovou ka­merou musí splňovat několik základních po­žadavků. V první řadě je to vysoká intenzita osvětlení z důvodu velmi krátkých expozič­ních časů v řádech jednotek až desítek mik­rosekund. Té je zpravidla dosahováno usměr­něním světelného toku pomocí čočky nebo zr­cadla. Zadruhé je nutné rovnoměrné osvětlení zorného pole, přičemž se parametry osvětlo­vačů nesmí v čase měnit. Obvykle používa­né LED jsou proto vybírány z takové produk­tové řady, která zaručuje velmi malý rozptyl vlnové délky, jasu a dalších parametrů. Vy­sokého výkonu a dlouhé životnosti je běžně dosahováno účinným odvodem tepla od vý­konových LED.
 
Tip: U černobílých kamer je doporučová­no používat monochromatické světlo (červe­ná, zelená atd.) spíše než bílé, aby byl vylou­čen vliv barevné vady optiky. Zobrazení hran a přechodů tak bude přesnější a kontrastnější.
 

Komunikace

V současné době jsou pro komunikaci s řádkovou kamerou používány téměř výhrad­ně tři komunikační rozhraní (tab. 1). Pro eko­nomické a méně náročné systémy, kde není třeba vysoká rychlost snímání, je vhodný gi­gabitový Ethernet ve spojení se standardem GigE Vision. Tam, kde přenosová kapacita Ethernetu nedostačuje, se používá Camera Link s asi osmkrát větší datovou propustnos­tí. Nejnovějším přírůstkem ve skupině vyso­kokapacitních kamerových sběrnic je přenos prostřednictvím koaxiálního kabelu s názvem CoaXPress.
Tomáš Gřeš, ATEsystem s. r. o.
 
Obr. 1. Použití vysokorychlostní kamery pro kontrolu barevného tisku (zdroj: www.baslerweb.com)
Obr. 2. Kamera 4CCD rozděluje příchozí světlo na červenou, zelenou, modrou a infračervenou (zdroj: www.jai.com)
Obr. 3. Vysokorychlostní řádková kamera Basler sprint (zdroj: www.baslerweb.com)
Obr. 4. Velmi výkonný osvětlovač Corona II s intenzitou osvět­lení až 3 miliony luxů (zdroj: www.chromasens.de)
Obr. 5. Různé povrchové vady na plechu snímané řádkovou kamerou: praskliny, díry, oxidace (zdroj: www.argutec.eu)
Obr. 6. Kamerou 4CCD lze kontrolovat potisk i ochranné prvky bankovek (zdroj: www.jai.com)
 

Tab. 1. Srovnání komunikačních rozhraní řádkových kamer