A Practical Guide to Machine Vision Lighting

Visão geral

The quality and appropriateness of lighting are critical aspects for creating a robust and timely vision inspection. To design an effective vision lighting solution, you need a thorough analysis of the inspection environment, including sample presentation and sample/light interactions, in addition to an understanding of illumination types, techniques, geometry, filtering, sensor characteristics, and color. Designing and following a rigorous lighting analysis sequence provides a consistent and robust environment, thereby maximizing time, effort, and resources—items better used in other critical aspects of vision system design, test, and implementation. This tutorial is the first document in a three-part series written by Daryl Martin, from Advanced Illumination, that demonstrates machine vision lighting concepts and theories.

1. Introdução

 

Talvez nenhum outro aspecto do projeto e implementação do sistema de visão tenha causado consistentemente mais atraso, custos excessivos e preocupações quanto a iluminação. Historicamente, a iluminação tem sido frequentemente o último aspecto especificado, desenvolvido e/ou consolidado, se implementada por completo. Essa abordagem não era totalmente injustificável, como até recentemente não havia iluminação específica da visão real disponível no mercado, significando que as soluções para iluminação consistiam de iluminação padrão como lâmpadas incandescente e fluorescente, com grande interferência de contribuição ambiental.

O objetivo destes artigos, melhor do que debater durante um longo tempo sobre tratamentos teóricos, é apresentar um “método padronizado de exemplos de desenvolvimento de iluminação apropriada”. Alcançaremos esse objetivo detalhando os aspectos relevantes, em uma estrutura prática, com exemplos, onde forem aplicáveis, para as 3 áreas seguintes:

  1. Conhecimento sobre:
    • Tipos de iluminação e vantagens e desvantagens das aplicações,
    • Eficiência da câmera de visão e do sensor quântico e a faixa de espectral
    • Técnicas de iluminação e seus campos de aplicação, relativos à planicidade e refletividade da superfície.
  1. Familiaridade com os 4 princípios fundamentais para iluminação do sistema de visão:
    • Geometria
    • Padrão ou estrutura
    • Comprimento de onda
    • Filtros
  1. Análise detalhada sobre:
    • Ambiente de inspeção imediata – limitações e requisites físicos
    • Amostra – iterações de luz com respeito a suas amostras únicas

Quando as informações dessas três áreas são acumuladas e analisadas, com respeito aos requisitos específicos das amostras e da inspeção, podemos alcançar o objetivo primário da análise da iluminação do sistema de visão de máquina – fornecer uma iluminação apropriada das amostras que atenda de forma consistente aos três critérios de aceitação:

  1. Maximizar o contraste dos detalhes de interesse
  2. Minimizar o contraste das demais regiões,
  3. Fornecer uma medição robusta.

Como já sabemos, cada inspeção possui suas particularidades, pois é impossível, por exemplo, para soluções de iluminação que atendem aos critérios de aceitação 1 e 2, que sejam apenas efetivas, desde que não haja inconsistências no tamanho, formato, orientação, posição e variáveis ambientais das peças, como variação da luz ambiente (veja a Figura 1).



 

Figura 1 - Embalagem de celofane em um pacote de blocos de nota. À esquerda: atende a todos os 3 critérios de aceitação. À direita: atende apenas aos critérios 1 e 2. Nesse caso, as “dobras” da embalagem não estão impedindo a leitura do código de barras, mas e se as “dobras” estivessem em uma posição diferente na próxima embalagem da linha?

 

2. Fontes de iluminação para visão e conteúdo espectral

 

As fontes de iluminação seguintes são comumente utilizadas em visão de máquina:

  • Fluorescente
  • Quartzo halógeno – fibra óptica
  • LED – diodo emissor de luz
  • Haleto metálico (mercúrio)
  • Xênon
  • Vapor de sódio de alta pressão

Fluorescente, quartzo halógeno e LED são os tipos de iluminação de longe mais utilizados em aplicações de visão de máquina, particularmente em estações de inspeção de escala pequena até média, enquanto que haleto metálico, xênon e vapor de sódio de alta pressão são mais comumente utilizados em aplicações de larga escala, ou em areas que exigem uma fonte de iluminação muito forte. Halogeneto metálico, também conhecido como mercúrio, é muito utilizado em microscopia, pois apresenta picos muito discretos no comprimento de onda, o que complementa o uso de filtros para estudos de fluorescência. Uma fonte de xênon é útil em aplicações que exijam uma fonte de luz muito brilhante e estroboscópica. A Figura 2 exibe as vantagens e desvantagens dos tipos de iluminação fluorescente, halógena de quartzo e LED, e os critérios relevantes para seleção, como aplicados à visão de máquina.  Por exemplo, enquanto que a iluminação LED possui uma maior expectativa de vida, a halógena de quartzo pode ser a escolha certa para uma inspeção em particular, pelo fato de oferecer uma maior intensidade.


Figura 2 – Comparação e contraste das fontes comuns para iluminação do sistema de visão.

 

Historicamente, as fontes de iluminação fluorescente e halógena de quartzo as que têm sido utilizadas com mais frequência. Nos últimos anos, a tecnologia LED melhorou a instabilidade, intensidade e a relação custo-benefício; porém, não é uma solução com boa relação custo-benefício para implantação de uma iluminação em grandes áreas, particularmente comparada às fontes fluorescentes. No entanto, se a flexibilidade, a estabilidade de saída e a longevidade da aplicação são parâmetros importantes, então a iluminação LED poderá ser a mais apropriada. Dependendo dos requisitos exatos da iluminação, muitas vezes mais de um tipo de iluminação deverá ser utilizado para essa implementação em específico, e a maioria dos especialistas em visão concordam que um único tipo de iluminação não consegue solucionar as questões de iluminação de maneira adequada.

É importante considerar não apenas o brilho de uma fonte de luz, mas também seu conteúdo espectral (Figura 3). Aplicações de microscopia, por exemplo, frequentemente utilizam uma fonte de iluminação halógena de quartzo, xênon ou mercúrio de espectro completo, particularmente em imagens a cor; porém, uma fonte monocromática de luz LED também é útil para uma câmera B&W CCD, e também (agora) para aplicações com cores, com o advento das cabeças de luz de “todas as cores – RGB” e LED branco.

Em aplicações que exigem alta intensidade de luz, como inspeções de alta velocidade, pode ser útil enquadrar a saída de espectro da fonte com a sensitividade espectral de sua câmera particular para sistema de visão (Figura 4). Por exemplo, câmeras baseadas em sensor CMOS são mais sensíveis à luz infravermelha do que as equivalentes CCD, resultando em uma vantagem significante de sensitividade em configurações de inspeção com pouca iluminação, quando utilizando fontes de LED infravermelho ou Tungstênio rico em luz infravermelha.


Figura 3 – Intensidade relativa da fonte de luz versus conteúdo espectral. A barra inferior denota a faixa aproximada de comprimento de onda visível aos seres humanos.


Figura 4 – Eficiência quântica absoluta do sensor da câmera versus comprimento de onda. A barra inferior denota a faixa aproximada de comprimento de onda visível aos seres humanos.

 

Além disso, as informações nas Figura 3 e 4 ilustram diversos outros pontos relevantes a considerar quando se está selecionando a câmera e a fonte de luz.

  • Tente enquadrar a sensitividade de pico do seu sensor com o pico de comprimento de onda de sua fonte de iluminação, a fim de obter uma vantagem completa de sua saída;
  • Estreite as fontes de comprimento de onda, como LEDs monocromáticos ou mercúrio, que são benéficos para a passagem de comprimentos de onda estratégicos, quando combinados com filtros passa banda estreita. Por exemplo, um filtro passa faixa para vermelho 660 nm, quando combinado com uma lâmpada LED vermelha, é muito eficaz no bloqueio da luz ambiente no chão de fábrica, sobrepondo as fontes de luz fluorescente ou de mercúrio;
  • A luz do sol possui a intensidade bruta e o amplo conteúdo espectral para por em questão quaisquer resultados da inspeção com sistema de visão – utilize um invólucro opaco;
  • Apesar de nossas mentes serem muito boas em interpretar o que nossos olhos veem, o sistema visual humano é completamente inadequado em termos de sensitividade final e faixa espectral dinâmica – deixe seus olhos visualizarem a imagem como adquirida a partir da câmera.

  

3. Os princípios fundamentais para iluminação do sistema de visão

 

Os 4 princípios fundamentais para iluminação do sistema de visão são:

  1. Geometria – o relacionamento 3D entre amostra, luz e câmera.
  2. Estrutura, ou padrão – o formato da luz projetada na amostra.
  3. Comprimento de onda, ou cor – como a luz é diferencialmente refletida ou absorvida pela amostra e seu fundo imediato.
  4. Filtros – bloqueando e deixando passar de maneira diferencial os comprimentos de onda e/ou direções da luz.

Compreender como manipular e realçar o contraste da amostra utilizando os 4 princípios fundamentais é algo crucial para atender aos 3 critérios de aceitação mencionados anteriormente, para atingir os níveis adequados de qualidade e robustez da iluminação. Mudanças efetivas de contraste através da geometria envolvem a movimentação da amostra, da luz e/ou das posições da câmera até encontrar uma configuração adequada. Por exemplo, um anel de luz coaxial (um montado ao redor da câmera) pode gerar um brilho hot spot em uma superfície semirrefletiva de código de barras, mas, simplesmente movendo a luz fora do eixo, o brilho hot spot é também deslocado para fora da visão da câmera. As mudanças de contraste via estrutura ou formato da luz projetada na amostra são, geralmente, da cabeça de luz ou específicas da técnica de iluminação (veja a seção posterior sobre Técnicas de Iluminação, na Parte II desta série). As mudanças de contraste via iluminação com cor são relacionadas à absorção diferencial da cor versus a reflexão (veja a Interação Amostra – Luz, na Parte II).