Krok 1: Definovanie vizuálnej úlohy a požiadaviek
Najskôr presne definujte, čo má systém strojového videnia vyhodnocovať a za akých podmienok:
- Rozhodnite, či pôjde napríklad o polohovanie objektov, kontrolu kvality, meranie rozmerov alebo čítanie kódov.
- Stanovte požadovanú presnosť (napr. najmenšiu detekovateľnú vadu či toleranciu merania) a rýchlosť procesu (počet inšpekcií za minútu).
- Zohľadnite aj okolité podmienky vo výrobe: dostupný priestor pre kameru, pohyb objektov (statický záber verzus kontinuálny pohyb), osvetlenie prostredia a prípadné vibrácie.
Tieto vstupné požiadavky určujú výber vhodných komponentov v ďalších krokoch.
Krok 2: Voľba typu kamery a snímacej metódy
Na základe povahy úlohy zvoľte zodpovedajúci typ kamery a spôsob snímania:
- Plošná 2D kamera (area-scan): Sníma celý obraz naraz, vhodná pre bežné inšpekcie stacionárnych alebo indexovaných objektov. Hikrobot ponúka širokú radu priemyselných 2D kamier (napr. série CA, CE, CH a i.) s vynikajúcou kvalitou obrazu. Tieto kamery pokrývajú rozlíšenie od 0,3 Mpx do 151 Mpx a podporujú štandardné rozhrania ako GigE Vision, USB3.0, 10GigE, Camera Link či CoaXPress.
- Riadková kamera (line-scan): Sníma po riadkoch počas pohybu výrobku. Hodí sa na kontrolu kontinuálnych materiálov (textil, papier) alebo valcových plôch. Napríklad séria riadkových kamier Hikrobot CL podporuje rozlíšenie 2K–16K pixelov a ponúka rozhrania GigE, CameraLink aj CoaXPress pre vysokorýchlostný prenos. Riadkové kamery umožňujú skenovať povrch pohybujúceho sa produktu vo vysokom rozlíšení, no vyžadujú synchronizovaný posun objektu.
- 3D kamera / stereo senzor: Pre úlohy vyžadujúce hĺbkovú informáciu (meranie objemu, 3D inšpekcia, robotické navádzanie) zvážte 3D videnie. Hikrobot má v portfóliu aj RGB-D inteligentnú kameru, ktorá kombinuje technológie ToF a duálneho stereovidenia a priamo poskytuje hĺbkový obraz (RGB-D) vo vysokej snímkovej frekvencii. Tieto systémy s integrovanou AI dokážu napr. priamo segmentovať objekt od pozadia a nájdu uplatnenie v skladoch, logistike aj vo výrobe pri komplexných kontrolách tvaru.
- Inteligentná čítačka kódov: Ak je cieľom len čítanie čiarových alebo 2D kódov, vhodným riešením môže byť fixná čítačka kódov. Napríklad ultrakompaktný Hikrobot ID2000 možno jednoducho zabudovať do linky (rozmery 46×25×38 mm) a vďaka vstavanému osvetleniu spoľahlivo sníma 1D/2D aj DPM kódy rýchlosťou až 45 kódov za sekundu. Čítačky tohto typu majú optimalizované algoritmy dekódovania a možno ich nasadiť tam, kde je potrebné rýchlo identifikovať výrobky podľa kódov.
Krok 3: Výber konkrétnej kamery
Po zvolení typu kamery vyberte konkrétny model, ktorý splní požadované technické parametre. Dôležité je rozlíšenie snímača, ktoré musí zodpovedať veľkosti detekovaných detailov. Vyššie rozlíšenie kamery umožňuje odhaliť menšie chyby, no spracovanie väčších obrazov môže znižovať maximálnu rýchlosť snímania.
Hikrobot má v ponuke kamery od nízkych rozlíšení 0,3 Mpx až po ultravelké 151 Mpx (séria CH) pre najnáročnejšie úlohy. Ďalej zvážte snímkovú frekvenciu (FPS). Napr. kamery Hikrobot série CA pokrývajú 0,3–6 Mpx a dosahujú snímkovú frekvenciu až 814 fps pri nízkom rozlíšení, čo je vhodné pre veľmi rýchle linky..
Ďalším faktorom je technológia uzávierky snímača. Pre rýchly pohyb a elimináciu rozmazania preferujte globálnu uzávierku (global shutter). Zohľadnite aj citlivosť v spektre: niektoré modely sú dostupné vo verzii NIR (citlivé v blízkej infračervenej oblasti 750–1100 nm) pre kontrolu pomocou IR osvetlenia.
Nemenej podstatná je voľba dátového rozhrania kamery. Rozhranie GigE Vision (Gigabit Ethernet) je veľmi rozšírené a umožňuje dĺžku kábla až 100 m (GigE kamery Hikrobot ako séria CI sú kompatibilné so štandardom GigE Vision). Pre vysokorýchlostné alebo vysokorozlišovacie kamery môže byť potrebné rozhranie s vyššou priepustnosťou, ako 10GigE, USB3.0, prípadne CoaXPress alebo Camera Link pri špecializovaných aplikáciách.
Pri viackamerovom systéme overte, či zvolený model aj rozhranie umožňujú časovú synchronizáciu kamier (napr. hardvérové trigger vstupy alebo podpora synchronizovaného snímania viacerých kamier). Taktiež sa rozhodnite medzi monochromatickou a farebnou kamerou: čiernobiely snímač má zvyčajne vyššiu citlivosť a rozlíšenie detailov, farebný je nevyhnutný v prípade, že aplikácia vyhodnocuje farbu objektov.
Krok 4: Výber objektívu a optiky
Kvalitný objektív je pre ostrý obraz rovnako dôležitý ako samotná kamera. Zvoľte ohniskovú vzdialenosť objektívu podľa požadovaného zorného poľa a pracovnej vzdialenosti. Širší záber získate s kratším ohniskom, na detailné zábery z väčšej vzdialenosti použite teleobjektív. Dbajte na to, aby rozlíšenie objektívu zodpovedalo rozlíšeniu kamery. Existujú tzv. „megapixelové“ objektívy konštruované pre vysoké rozlíšenie snímača.
Hikrobot vyvinul vlastný rad FA objektívov pre strojové videnie, ktoré sú navrhnuté s dôrazom na vysokú ostrosť, konzistentné prekreslenie od stredu po okraje a minimálne skreslenie pri zachovaní priaznivej ceny. Tieto priemyselné objektívy majú robustnú konštrukciu a udržujú vysokú relatívnu svetelnosť až k okrajom snímky, čo zaisťuje rovnomerné osvetlenie obrazu. Pri výbere si overte kompatibilitu s uchytením kamery: väčšina priemyselných kamier Hikrobot používa štandardný závit C-Mount alebo CS-Mount.
Pre špeciálne účely, ako je veľmi presné meranie rozmerov, zvážte aj použitie telecentrického objektívu, ktorý eliminuje perspektívne skreslenie, ak si to aplikácia vyžaduje. Súčasťou optickej zostavy môžu byť aj filtre (napr. polarizačné na potlačenie odleskov alebo farebné/IR filtre ladiace s použitým osvetlením). Tieto doplnky pomáhajú zvýrazniť požadované detaily a potlačiť rušivé vplyvy prostredia.
Krok 5: Návrh vhodného osvetlenia
Správne osvetlenie scény je jednou z najväčších výziev v oblasti strojového videnia. Je kľúčové pre stabilnú funkciu systému, pretože ovplyvňuje kontrast a čitateľnosť hľadaných znakov či vád.
Najprv zvoľte typ osvetlenia podľa charakteru inšpekcie: priame predné osvetlenie (napr. prstencové svetlo) pre rovnomerné nasvietenie objektu, bočné šikmé osvetlenie na zvýraznenie reliéfu povrchu (napr. škrabance), zadné podsvietenie (backlight) na získanie siluety alebo koaxiálne osvetlenie pre lesklé povrchy, ktoré eliminuje odlesky smerom do kamery.
Ďalej vyberte vhodnú vlnovú dĺžku. Bežne sa používa červené alebo biele svetlo, no pre špecifické kontrasty môže byť výhodné aj modré, zelené alebo infračervené osvetlenie. Výrobca Hikrobot má v portfóliu ucelený rad priemyselných LED svetiel pre strojové videnie, vrátane prstencových, lištových, koaxiálnych aj plošných zdrojov. Tieto osvetlenia sa vyznačujú vysokým svetelným výkonom (intenzita až jednotky miliónov luxov) a výbornou rovnomernosťou, čo zabezpečuje konzistentnú kvalitu obrazu. K dispozícii sú rôzne veľkosti a prevedenia pre jednoduchú integráciu do stroja – možno tak nasvietiť malé detaily aj rozsiahlu scénu.
Pri návrhu osvetlenia myslite aj na riadenie intenzity: ideálne je použitie stmievateľného alebo zábleskového (strobe) osvetlenia, ktoré umožňuje synchronizáciu pulzu so spúšťou kamery a dosiahnutie vysokého jasu bez rozmazania pohybu. Na tento účel slúžia špecializované kontroléry osvetlenia. Hikrobot ponúka napríklad rady MV-LE100/200, ktoré umožňujú analógové aj digitálne riadenie výkonu LED a jednoduché prepojenie s kamerovým systémom. Správne navrhnuté osvetlenie eliminuje vplyv okolitého prostredia a výrazne zvyšuje spoľahlivosť detekcie požadovaných znakov či vád.
Krok 6: Výber spracovateľskej platformy (inteligentná kamera vs. externý kontrolér)
Zvoľte architektúru systému, ktorá najlepšie vyhovuje náročnosti úlohy. Pre jednoduchšie aplikácie s jednou kamerou môže byť ideálnym riešením smart kamera – teda inteligentná kamera s integrovaným procesorom, ktorá samostatne vykonáva celé spracovanie obrazu. Hikrobot ponúka smart kamery radu SC: kompaktný model SC3000 ako základný vizuálny snímač a výkonnejšie modely SC5000X a SC6000 pre náročnejšie úlohy.
Napríklad SC5000X má integrovaný výpočtový modul s bohatou sadou vstavaných algoritmov (viac ako 160 vizuálnych funkcií) a modulárnu konštrukciu pre flexibilnú montáž. Najpokročilejší model SC6000 navyše obsahuje hardvérové akcelerátory pre umelú inteligenciu a ponúka viac ako 140 predpripravených algoritmov videnia aj podporu viac než 30 priemyselných komunikačných protokolov. Smart kamera teda zvládne všetko, od snímania cez vyhodnocovanie až po komunikáciu s výrobnou linkou, v jednom kompaktnom zariadení. Odpadajú tak potreby samostatného PC a zjednodušuje sa kabeláž.
Pre zložitejšie systémy (viac kamier, vyšší objem dát alebo výpočtovo náročné algoritmy) je vhodné siahnuť po externom kontroléri alebo priemyselnom PC. Hikrobot dodáva výkonné vision kontroléry série VC3000/VC5000, čo sú priemyselné počítače optimalizované na spracovanie obrazu. Tieto kontroléry sú vybavené výkonnými viacjadrovými procesormi Intel (napr. 12. generácie Core i7) a ponúkajú množstvo rozhraní na pripojenie kamier aj periférií.
Kontroléry podporujú súčasné pripojenie viacerých GigE kamier (typicky 4–6 portov Gigabit Ethernet) a poskytujú bohatú sadu vstupov/výstupov: až 24 izolovaných digitálnych I/O s voliteľnou logikou NPN/PNP. Integrované výstupy na riadenie osvetlenia (napr. 4 kanály po 24 V) umožňujú priame napájanie a zábleskový režim LED osvetlenia synchronizovaný so snímaním.
Výhodou dedikovaného kontroléra je vysoký výkon pre spúšťanie pokročilých algoritmov v reálnom čase a možnosť jednoducho rozširovať systém o ďalšie kamery či periférie. Rozhodnutie medzi smart kamerou a kontrolérom teda závisí od komplexity úlohy: jednoduchá inšpekcia s jednou kamerou sa dá elegantne riešiť smart kamerou, zatiaľ čo rozsiahle inšpekčné stanovište s viacerými kamerami a náročnými výpočtami si vyžaduje centrálny výkonný kontrolér.
Krok 7: Návrh softvéru a algoritmov spracovania obrazu
Po výbere hardvéru nasleduje realizácia softvérového riešenia videnia. Pre zariadenia Hikrobot je k dispozícii jednotná platforma Vision Master (VM). Softvér pre strojové videnie obsahuje bohatú knižnicu funkčných blokov na analýzu obrazu. VM umožňuje intuitívnu grafickú konfiguráciu inšpekčných úloh aj programové API pre pokročilých používateľov.
Priamo v prostredí Vision Master je pripravených viac ako 1000 overených operátorov (funkcií) na spracovanie obrazu, ktoré pokrývajú úlohy ako presné polohovanie a meranie objektov, rozpoznávanie textov a kódov, kontrolu prítomnosti súčiastok, porovnávanie vzhľadu či detekciu defektov povrchu. Tieto funkcie zahŕňajú okrem iného nástroje na vyhľadávanie tvarov (pattern matching), meranie rozmerov, čítanie 1D/2D kódov, OCR (optické rozpoznávanie znakov) a množstvo filtrov a predspracovania obrazu.
VM platforma ďalej integruje moderné algoritmy strojového učenia: obsahuje vstavané moduly hlbokého učenia na klasifikáciu, detekciu objektov, segmentáciu či OCR na základe neurónových sietí. Používateľ môže v prostredí VM vykonať anotáciu snímok, natrénovať model hlbokého učenia na vlastných dátach a nasadiť ho priamo do inšpekčnej linky – to všetko bez nutnosti opustiť platformu.
Vision Master podporuje rôzne úrovne integrácie: možno vytvoriť riešenie kompletne pomocou grafického rozhrania (vhodné na rýchlu tvorbu prototypu), alebo využiť SDK a volať funkcie VM z vlastného programu na hlbšiu integráciu do nadradeného systému. VM taktiež umožňuje vytvárať vlastné používateľské nástroje (tzv. operátory) a začleniť ich do knižnice, čo sa hodí pre špecifické algoritmy.
Pre aplikácie zamerané na čítanie kódov ponúka Hikrobot aj špecializovanú Code Platform. Tá obsahuje optimalizované algoritmy na dekódovanie 1D/2D symbolov a jednoduché prepojenie s databázami logistických systémov. Vo väčšine prípadov však postačujú štandardné funkcie Vision Masteru, keďže zahŕňajú aj robustné čítačky čiarových a datamatrix kódov vrátane verifikácie kvality.
Pri vývoji algoritmov vždy pracujte s dostatočne reprezentatívnou sadou vzoriek (dobrých aj chybných dielov), aby ste mohli nástroje náležite vyladiť a nastaviť prahy na spoľahlivú detekciu. Výsledný inšpekčný program je možné nasadiť buď priamo do smart kamery, ak ju používate (tá zvyčajne obsahuje runtime bežiaci niektorú verziu VM), alebo na zvolený kontrolér/PC s nainštalovaným softvérom Vision Master.
Krok 8: Integrácia do výrobnej linky, testovanie a doladenie
V záverečnej fáze prepojíte systém videnia s okolitou prevádzkou a overíte jeho funkčnosť:
- Nainštalujte kameru alebo kamery do výrobnej linky v optimálnej polohe a pevne ich uchyťte.
- Pripojte všetku kabeláž k riadiacemu počítaču alebo sieti, napájacie káble a káble k osvetľovacím jednotkám.
- Ak používate externý vision kontrolér Hikrobot, pripojte kamery priamo do jeho gigabitových portov a prípadne využite vstavané I/O pre vstupy/výstupy. Kontroléry aj smart kamery Hikrobot umožňujú jednoduché prepojenie s programovateľnými automatmi a ďalšími systémami a podporujú viac než 30 priemyselných komunikačných protokolov (EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP a iné) pre prenos výsledkov a štatistík do nadradeného systému.
- Synchronizujte systém videnia s chodom linky: typicky je potrebné zabezpečiť spúšťanie snímania v správny okamih (napr. pomocou čidla a signálu trigger do kamery alebo kontroléra). Využite digitálne I/O na príjem trigger signálu a výstup výsledkov (napr. digitálny výstup „OK/NOK“ do PLC pre vytriedenie chybného kusu).
- Platforma Vision Master zjednodušuje integráciu, pretože má integrovanú správu externých zariadení – priamo z inšpekčného programu možno ovládať kamery, nastavovať intenzitu pripojených svetiel a ovládať výstupné signály. Celú komunikáciu a časovanie tak možno riadiť centrálne z jedného softvéru.
Keď je systém fyzicky nainštalovaný a prepojený, vykonajte dôkladné testovanie a kalibráciu:
- Overte, že osvetlenie a optika sú správne nastavené – prípadne dolaďte zaostrenie objektívu, clonu či uhol svetiel tak, aby bol obraz ostrý a s optimálnym kontrastom sledovaných prvkov.
- Potom testujte softvérové nástroje na reálnych výrobkoch: nechajte systém spracovať dostatočný počet dobrých aj chybných kusov a sledujte, či spoľahlivo rozpoznáva požadované vlastnosti. Ak dochádza k falošným nálezom alebo prehliadnutým vadám, upravte parametre algoritmov (prahové hodnoty, oblasti záujmu, predspracovanie obrazu atď.) vo Vision Masteri a test zopakujte.
- Pri meracích úlohách vykonajte kalibráciu obrazu do skutočných jednotiek (napr. pomocou kalibračnej dosky a nástrojov vo Vision Master), aby výsledky zodpovedali rozmerom v mm a eliminovalo sa skreslenie optiky.
- Po finálnom doladení systému zabezpečte, aby výsledky inšpekcie boli správne odovzdávané ďalej – či už do PLC (na vyradenie dielu, zastavenie stroja) alebo do databázy s evidenciou výsledkov..
- Nasadený systém sledujte v počiatočnej fáze prevádzky a overte jeho stabilitu v čase (napr. vplyv zahrievania osvetlenia, znečistenie optiky).
Týmto dôkladným postupom zaistíte, že navrhnutý systém strojového videnia bude spoľahlivo fungovať v reálnej prevádzke a výrazne prispeje k zlepšeniu kontroly kvality alebo efektivity výroby.