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¿Por qué la iluminación es importante en aplicaciones de visión artificial?Los sistemas de visión artificial crean imágenes mediante el análisis de la
luz reflejada desde un objeto, no a través del análisis del propio objeto.
Por lo tanto, es fundamental entender cómo la luz se reflejará de una
pieza de producción que se está inspeccionando. Para entender esto, hay
que entender el material del cual está hecho el objeto, su tamaño, forma
y acabado. El color del objeto también es importante, incluso si el sistema
de inspección es monocromático (la pieza roja se reflejará de manera
diferente a la de una pieza rosa). Todas estas características afectan cómo
es reflejada la luz y pueden plantear desafíos en la creación de una buena
imagen. Encontrar la fuente de luz adecuada puede tomar una aplicación
aparentemente difícil y simplificarla.
Cómo elegir la iluminación adecuada para aplicaciones de visión artificial
La iluminación también puede afectar lo fácil que es para el análisis
computacional producir una imagen viable. Una buena imagen es el
resultado de un enfoque e iluminación apropiados. Las imágenes con
un contraste pobre e iluminación desigual, requieren un esfuerzo mucho
mayor para el sensor de imágenes, que en última instancia, incrementa
el tiempo de procesamiento y puede aumentar el número de análisis de
imagen incorrectos. En general, las imágenes de alto contraste son las más
fáciles de procesar. Examine la imagen que se muestra arriba (Figura 1).
Un buen sistema de procesamiento de imágenes es capaz de reconocer
los signos de más en ambas imágenes, sin embargo, la repetitividad de
reconocer la imagen de la parte superior será más baja debido al bajo
contraste de esta imagen, en comparación con la otra en la parte inferior.
Guía
“El más sofisticado sistema de inspección automatizado en el mundo no puede
funcionar sin la iluminación adecuada”– cita de machinevisiononline.org
Si la iluminación es controlada adecuadamente, las imágenes deben ser
manejadas por el sistema de visión artificial con facilidad y con un alto
grado de confiabilidad /repetitividad.
Dado que las imágenes se
crean cuando la luz se refleja
de un objeto, la luz que incide
sobre el objeto y se refleja
hacia la cámara, se ve como
brillante. Si la luz se refleja
fuera de la cámara (o es
absorbida por el objeto), el
objeto es visto como oscuro.
Un sistema de visión artificial
normalmente se centra en las
diferencias entre las zonas
claras y oscuras para hacer
conclusiones sobre los bordes,
texturas o marcas que son
parámetros críticos en la
operación de inspección.
Tipos de iluminación
La longitud de onda de la luz que se utiliza puede ser también una variable
importante en el proceso de inspección. Con la iluminación de la luz de un
color particular, los colores contrastes serán más fáciles de separar, debido
a que van a aparecer más oscuros en la imagen. Esta técnica se puede utilizar
para mejorar los códigos de fecha en las tapas para frascos, por ejemplo.
La luz infrarroja se puede utilizar para resaltar magulladuras en los productos
y la luz ultravioleta causará tinta o pegamento para fosforescencia (tenga
en cuenta que los filtros se deben utilizar en la cámara si se está utilizando
luz infrarroja o ultravioleta para que la fosforescencia del objeto pueda ser
vista pero no la luz en sí).
Figura 1: El alto contraste ayuda al sistema de visión a proporcionar resultados más repetibles.
La luz difusa, que puede ser producida tomando la luz colimada y hacerla
brillante a través de un vidrio esmerilado, da una iluminación más suave,
una iluminación más uniforme que evita causar brillos o sombras a costa
de la reducción de la intensidad de la luz. Otra consideración cuando
se inspeccionan piezas, es la velocidad de movimiento de la pieza al ser
fotografiada, así como el tiempo de exposición de la cámara. Estos factores
afectarán a la elección de la fuente de luz. Simplificar la aplicación inicia
con la definición de los objetivos y centrarse en lo que es importante
para la inspección. Una vez que los objetivos se entienden, ya puede
uno centrarse entonces en la elección de la fuente de luz que resalta las
características o defectos que han sido buscados y anula los elementos
no deseados de la imagen.
La luz colimada, donde los rayos de luz están alineados con el fin de estar
siempre en paralelo, es buena para la producción de imágenes nítidas
(Figura 3).
Figura 2: La luz infrarroja a través de un filtro resalta las magulladuras en la fruta.
Figura 3: Los rayos de luz colimada crean imágenes más nítidas.
Figura 4a: Bombilla con iluminación directa desde un anillo de luz. El anillo de luz se refleja en el vidrio.
Figura 4b: Bombilla a contraluz. Utilizando una luz de fondo, todo el reflejo se evita y las características internas pueden ser inspeccionadas claramente.
Lente del condensador
Rayos de luz difusa Rayos de luz colimada
Técnicas de iluminaciónSeleccionar la técnica de iluminación correcta puede ser un largo camino
al lidiar con los problemas específicos de una aplicación particular. Muchas
opciones están disponibles y cada una tiene ventajas y desventajas para
usos específicos. Hay cinco técnicas básicas para iluminación de piezas a
ser inspeccionadas: Iluminación de fondo, iluminación directa, iluminación
estructurada y la iluminación difusa dentro o fuera del eje. La iluminación
de fondo, crea una silueta para acentuar la forma de una pieza y permitir
su medición, pero oculta totalmente todos los detalles de la superficie.
Se crea la máxima cantidad de contraste mediante la producción de una
imagen que es en su mayor parte en negro sobre blanco. En aplicaciones
de inspección se puede utilizar esta técnica para realizar medidas
dimensionales, pero sería inútil para la inspección de superficies. Un reto
en esta técnica es la dificultad de fijación. Cualquier dispositivo mecánico
que deba sostener la pieza bajo ensayo podría obstaculizar la luz de fondo.
Consideremos el siguiente ejemplo.
Figura 5a: Una esponja iluminada por luz directa con un alto ángulo de incidencia.
Figura 5b: Al cambiar la posición de la fuente de luz, el reflejo se reduce y la textura de la superficie de la esponja está expuesta para su inspección.
La segunda técnica de iluminación es la iluminación frontal directa.
Normalmente, la luz se ilumina desde un ángulo ligeramente descentrado.
Es fácil de configurar esta fuente de iluminación y se puede crear un
contraste excelente, sin embargo, también puede crear sombras y
producir reflejos dependiendo de la superficie de la pieza que se está
inspeccionando. La creación de sombras puede ser deseable, para mejorar
el contraste en donde las imágenes de bajo contraste son un problema.
Y, la iluminación directa se puede utilizar para congelar el movimiento con
luces estroboscópicas (flashes). Para ver un ejemplo del efecto de mover
la fuente de luz, considere las siguientes imágenes.
Figura 6a: Una luz en línea, reflejándose de una superficie completamente plana aparecerá perfectamente recta.
Figura 6b: Si la superficie no es perfectamente plana, el reflejo producido por la luz que rebota de la superficie no será perfectamente recto. En este caso, hay una depresión en la superficie.
Si las sombras deben ser minimizadas, más de una luz directa puede ser
utilizada. Para este fin, algunos sistemas utilizan un anillo de luz, el cual
rodea totalmente la parte que se está viendo.
Otra técnica de iluminación es la iluminación estructurada. Dicha técnica
hace uso de un patrón de luz conocido, (por lo general un plano de
luz creando una línea) que se utiliza para obtener información de las
dimensiones. Normalmente se utilizan fuentes de luz altamente colimadas,
como el láser o luces de línea de fibra óptica. Esta técnica es una forma
barata para medir la profundidad y la altura de las superficies continuas y
se utiliza a menudo cuando ya sea que la fuente de luz o la superficie se
mueven. También puede mostrar detalles de la superficie de las piezas de
bajo contraste. Uno debe asegurarse de que la pieza que se está midiendo
no absorba la luz, sin embargo, la reflexión se requiere para el efecto de la
iluminación en la pieza a medir. El efecto de una fuente de luz lineal siendo
reflejada fuera de las superficies perfectamente planas y no continuas, se
muestra en las figuras 4a y 4b.
Espejo semi-plateado
La iluminación difusa en el eje, también conocido como DOAL, permite
a la luz brillar directamente en una pieza en línea con la cámara, sin que
la fuente de luz entre en el camino de la cámara. Esto se logra usando
un espejo 50% plateado para reflejar la luz directamente en la pieza.
La cámara ve a través del espejo para capturar la imagen de la pieza que
se está iluminado.
Figura 7b: El mismo conector visto con iluminación difusa en el eje (DOAL).
Figura 7a: Un conector visto en ambiente de luz directa viniendo de un lado.
Figura 8a: Una lata de bebida iluminada por luz directa, en este caso un anillo de luz, refleja la mirada de la cámara.
Figura 8b: La misma lata iluminada por luz difusa fuera de eje proporciona una imagen clara de las marcas superficiales.
Las aplicaciones de iluminación difusa en el eje incluyen la detección de
fallas en superficies brillantes, superficies planas o inspecciones del interior
de las cavidades pequeñas. Dado que las luces DOAL pierden intensidad
a través del espejo plateado, puede ser aconsejable usar una fuente de
iluminación adicional para mejorar la iluminación o la consistencia de la
luz sobre el tema.
Las figuras 5a y 5b muestran cómo utilizando DOAL se puede eliminar el
brillo reflejado, por lo que es más fácil de inspeccionar características de
las superficies en algunas aplicaciones.
La última técnica de iluminación que se explica aquí es iluminación difusa
fuera de eje, también conocida como la iluminación de día nublado
o la iluminación luz de bóveda. Con esta técnica, la luz no se refleja
directamente sobre la pieza, sino primero sobre una superficie difusa y
luego es “rebotada” sobre la pieza.
La técnica de difusión fuera de eje niega las sombras como si uno estuviera
buscando algo en un día nublado. También se evita la creación de puntos
calientes o el brillo que pueden causar problemas en aplicaciones de
inspección de piezas. Cuando se utiliza una luz de bóveda, donde la cámara
dispara a través de un agujero en la cúpula del reflector, no puede haber
un punto muerto en el centro de la imagen. Por lo tanto, cuando se utiliza
un reflector, puede ser ventajoso añadir una fuente DOAL para llenar el
punto muerto.
Para aplicaciones con restricciones de espacio, las luces de bóveda planas
están disponibles para colocarse entre la cámara y la pieza y producen
resultados similares a las luces curvas.
Figura 9a: Imagen tomada de una pieza móvil utilizando iluminación de luz estroboscópica.
Figura 9b: Imagen tomada de una pieza móvil con iluminación continua.
Siempre encendida o estroboscópicaLa iluminación en aplicaciones de visión artificial es o siempre-encendida
o estroboscópica. Con una luz estroboscópica se puede obtener una
mayor intensidad y la fuente de luz puede durar más tiempo. Es más útil
la capacidad para detener el movimiento. Pero, las luces estroboscópicas
necesitan ser controladas. La sincronización del tiempo debe ser coordinado
con precisión con la adquisición de la imagen o las imágenes pueden
variar en intensidad. También hay que considerar el factor humano cuando
se utiliza iluminación estroboscópica. Las luces intermitentes (flashazos)
pueden causar convulsiones o dolores de cabeza cuando es vista por
algunas personas.
En el diseño de sistemas de visión artificial, es importante tener en cuenta
el efecto de la luz ambiental en la zona donde el sistema se va a instalar.
La luz utilizada para iluminar la pieza necesita estar lo suficientemente
brillante como para abrumar a cualquier luz ambiental que incide sobre
ella para que se consiga el efecto deseado de la iluminación especial del
sistema de inspección. La luz ambiental puede causar brillo adicional
sobre las piezas. También puede cambiar dependiendo del lugar donde el
operador puede estar de pie, la hora del día, el clima y las estaciones del
año. Todas estas cuestiones deben tenerse en cuenta cuando se selecciona
la fuente de luz del sistema de inspección y el diseño del acomodo físico
del sistema.
Fuentes de iluminaciónUn tipo de fuente de luz son las luces halógenas. Estas luces son aptas para
aplicaciones donde la iluminación muy brillante es necesaria—muchos de
los nuevos faros de automóviles son halógenos—pero están limitadas en
el hecho de que no pueden ser estroboscópicas, que tienden a calentarse
y perder intensidad con el tiempo. Si este tipo de luz es para ser utilizada
en una aplicación de inspección, sería beneficioso ponerla a funcionar
en un 80% de su máxima potencia para prolongar su vida, manteniendo
constante el voltaje para evitar cambios de color y el uso de la fibra óptica
para permitir el montaje de la lámpara de forma remota, esto en el caso
de que la aplicación sea sensible al calor que produce el halógeno.
Las luces incandescentes son otra posible fuente. Estas bombillas son de
bajo costo y fácilmente disponibles, pero no pueden ser estroboscópicas
ya que generan calor y pierden ligeramente intensidad con el tiempo.
Las fuentes de iluminación fluorescentes son relativamente baratas. Están
disponibles en muchas formas y tamaños y proporcionan una luz difusa,
lo que minimiza el brillo. Los factores limitantes aquí son que no pueden
ser estroboscópicas que se degradan con el tiempo, y es difícil de
atenuarlas. Las luces fluorescentes también parpadean debido a la
frecuencia de la fuente de alimentación de CA (corriente alterna) la cual
puede afectar la calidad de la imagen de las aplicaciones de inspección
visual. Usar balastros de alta frecuencia puede ayudar a reducir la cantidad
de parpadeo, pero no puede eliminarlo por completo.
Los láseres son fuentes de luz altamente colimada que tienen alta
intensidad, lo que les permite ser montados a una distancia del objeto
que está siendo inspeccionado. Un tipo especial de láser, llamado láser
de diodo, puede ser estroboscópico. Los láseres se utilizan a menudo
para hacer mediciones de distancia, a veces en tres dimensiones, pero no
pueden ser capaces de alcanzar altas precisiones. Son tradicionalmente
muy caros y requieren medidas especiales de seguridad, ya que presentan
riesgos potenciales de seguridad. La fibra óptica puede ofrecer una opción
más segura para proporcionar luz colimada si la aplicación lo requiere.
Cómo iluminan
Tipo Estroboscópica Costo Intensidad Vida Calor
Halógena pobre razonable buena pobre pobre
Incandescente pobre razonable razonable pobre pobre
Fluorescente pobre razonable pobre razonable razonable
Láser buena bajo buena buena buena
Xenón buena bajo buena pobre pobre
LED buena razonable buena buena buena
Muchos sistemas estroboscópicos más antiguos emplean luces de xenón.
El xenón es ideal para efecto estroboscópico, ya que es capaz de dar
muy alta intensidad durante un corto período de tiempo, creando así la
impresión de movimiento parado. Pero la intensidad de un flash de xenón
disminuye con el tiempo y rara vez se utiliza hoy en día.
Una mejor alternativa es usar diodos emisores de luz (LEDs). Estas fuentes
son las más comunes en la actualidad para aplicaciones de visión artificial.
Duran mucho tiempo, más de 10,000 horas, y pueden ser estroboscópicas o
dejarlas encendidas de manera continua y sin problemas de calor. Los LEDs
son también muy seguros de usar, son eficientes y usted puede abastecerse
en prácticamente cualquier color o longitud de onda específica. Mientras
que los primeros LEDs tenían intensidad limitada, los LEDs modernos
pueden ser muy brillantes (considere cuántos vehículos nuevos los están
usando para la iluminación exterior).
La siguiente tabla compara las diferentes alternativas de fuentes de luz en
cuanto a su idoneidad para diferentes aplicaciones.
Iluminación integrada Los usuarios de visión artificial tienen la opción de adquirir un sistema
que incluye la iluminación integrada. La iluminación integrada simplifica
la configuración para resaltar piezas o características particulares sin
tener que adquirir, instalar y sin utilizar potencia adicional de iluminación.
Algunos sistemas de visión con iluminación integrada proporcionan el
beneficio adicional del uso de software para controlar la intensidad y el
efecto estroboscópico de la luz sin la necesidad de un equipo adicional.
Puesto que no hay necesidad de iluminación externa y potencia de visión,
los sistemas con iluminación integrada son más fáciles de instalar y utilizar
en espacios difíciles de alcanzar en la línea de producción. También pueden
ser más rentables.
ResumenHay muchas opciones disponibles de iluminación y muchas maneras para
construir y orientar el sistema de visión. La elección de la iluminación
adecuada puede hacer una diferencia significativa en la productividad.
Lo primero que se debe hacer en la planificación de un nuevo sistema de
inspección automatizada es entender la pieza que va a ser inspeccionada,
lo que se necesita aprender al inspeccionarla, su acabado superficial, el
color, etc. También es fundamental entender el medio ambiente de la
producción. Posteriormente, revisar los pros y los contras de las distintas
fuentes de luz. Después de seleccionar la iluminación adecuada, la
siguiente decisión es posicionar la fuente de luz para la máxima eficacia.
La combinación de la fuente de iluminación y la forma en que se coloca de
acuerdo a la pieza y a la cámara, pueden negar o acentuar características
según sean apropiadas para asegurar que imágenes buenas y consistentes
sean producidas para satisfacer los requerimientos de inspección de la
aplicación. Un especialista en visión artificial puede ayudar a determinar
la mejor iluminación y opciones de posición de luz para su aplicación.
AméricasEstados Unidos, Este +1 508 650 3000Estados Unidos, Oeste +1 650 969 8412Estados Unidos, Sur +1 615 844 6158Estados Unidos, Detroit +1 248 668 5100Estados Unidos, Chicago +1 630 649 6300Canadá +1 905 634 2726México +52 81 5030 7258América Central +52 81 5030 7258Sud-América +1 909 247 0445Brasil +55 47 8804 0140
EuropaAustria +43 1 23060 3430Bélgica +32 2 8080 692Francia +33 1 4777 1550Alemania +49 721 6639 0Hungría +36 1 501 0650Irlanda +353 1 825 4420Italia +39 02 6747 1200Países Bajos +31 208 080 377Polonia +48 71 776 0752España +34 93 445 67 78 Suecia +46 21 14 55 88
Suiza +41 71 313 06 05 Turquía +90 212 306 3120Reino Unido +44 1327 856 040
AsiaChina +86 21 5050 9922India +9120 4014 7840Japón +81 3 5977 5400Corea +82 2 539 9047Singapur +65 632 55 700Taiwan +886 3 578 0060
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