سیستم‌های بینایی ماشین به طیف وسیعی از صنایع و بازارها خدمت می‌کنند. آنها در کارخانه‌ها، آزمایشگاه‌ها، استودیوها، بیمارستان‌ها و ایستگاه‌های بازرسی در سراسر جهان و حتی در سیارات دیگر استفاده می‌شوند. اما چگونه یک سیستم موثر برای کار خود طراحی کنیم؟ توان رسان نکات مهم را در این مقاله برای شما آماده کرده است.

هنگام طراحی یک سیستم بینایی ماشین عوامل زیادی وجود دارد که می تواند بر عملکرد کلی تأثیر بگذارد. بسیاری از این عناصر مرتبط با انتخاب دوربین هستند، اما عوامل دیگری نیز وجود دارند که می توانند تأثیر قابل توجهی بر تصویر نهایی داشته باشند. این مقاله به بررسی 10 مورد از این ملاحظات و مواردی که یک سیستم بینایی را می‌سازد و باید به آن توجه کرد، می‌پردازد.

۱. محیط کاری

تصاویر در هر گوشه ای از جهان ثبت می شوند. در ساختمان شرکت یا ساختمانی مسکونی، به عنوان سیستم امنیتی و در حین رانندگی یا هنگام تصوری برداری با پهپاد و بسیاری موارد دیگر.

گستره محیط‌هایی که به راه‌حل‌های تصویربرداری قابل اعتماد نیاز دارند، گسترده است، در حالی که این سیستم‌ها اغلب به عنوان سیستم‌های بینایی ماشین تعمیم داده می‌شوند، واضح است که راه‌حل‌های تصویربرداری فراتر از کاربردهای مورد نیاز کارخانه‌ها هستند.

شرایطی که یک سیستم بینایی در آن کار می‌کند بسیاری از مشخصات لازم برای ارائه تصویر مورد نیاز را تعیین می کند، از جمله شرایط آب و هوایی مانند نور مستقیم خورشید، باران، برف، گرما و سایر عوامل خارجی که خارج از محدوده کنترل ما هستند. با این حال، یک سیستم بینایی را می توان با در نظر گرفتن این موارد طراحی کرد. عواملی مانند نور اضافی را می توان با ساخت یک محاظ سیستم در برابر نورهای محیطی محافظت کرد، یا محفظه کافی برای اطمینان از محافظت دوربین و سنسور آن در برابر آب و شرایط هوایی سخت ساخت. به طور خلاصه، سیستم‌ها را می‌توان طوری تنظیم کرد که از تصویربرداری واضح دوربین اطمینان داشت.

۲. حسگر دوربین

هنگام تصمیم گیری در مورد انتخاب دوربین برای یک سیستم بینایی، بیشتر عملکرد آن به حسگر تصویر بستگی دارد. توانایی دوربین اساساً به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. از طرف دیگر، دو دوربین مختلف با سنسور یکسان لزوماً یک نوع تصویر را تولید نمی‌کنند. در واقع، آنها به احتمال زیاد تفاوت های قابل توجهی خواهند داشت. بنابراین، نگاه به عوامل دیگر نیز بسیار مهم است.

فرمت سنسور در مورد اپتیک های منطبق و نحوه نمایش تصاویر تصمیم می گیرد. فرمت ها فراوانند، اما برخی از فرمت های رایج عبارتند از  APS-C، 1.1و 1و 2/3 اینچ. هنگام استفاده از سنسور بزرگتر، سیستم بینایی اغلب می تواند از پیکسل های بیشتری بهره مند شود و در نتیجه تصویری با وضوح بالاتر ایجاد کند. با این حال، چند مشخصه دیگر وجود دارد که به همان اندازه مهم هستند. جزئیاتی مانند ظرفیت کامل، راندمان کوانتومی و نوع شاتر همگی در نحوه برخورد سنسور با اهداف مختلف در موقعیت های خاص نقش دارند.

۳. لنز

پس از تصمیم گیری در مورد جنبه‌های داخلی دوربین، یک سیستم بینایی برای تمرکز روی هدف نیاز به یک لنز مناسب دارد. در سیستم‌های بینایی ماشین، اندازه دوربین می‌تواند بر اساس کاربرد متفاوت باشد. در سیستم‌های بزرگتر، بسته به تصویر مورد نظر ممکن است به لنز با قابلیت زوم نیاز باشد. با‌ بینایی ماشین، بسیاری از دوربین‌ها روی یک منطقه هدف خاص قفل می‌شوند و از لنزهای پرایم با فاصله کانونی ثابت استفاده می‌کنند.

هر لنز بر اساس کارخانه سازنده و سنسوری که به آن وصل خواهد شد، سیستم نصب خاصی دارد. پایه‌های لنز معمولی برای بینایی ماشین عبارتند از  C-mount، CS-mount  و M42-mount. بنابراین، قبل از انتخاب لنز، اولین قدم بررسی مشخصات سنسور مورد نیاز است.

مشخصات اصلی یک لنز فاصله کانونی است. با کاهش فاصله کانونی، میدان دید (FoV) به طور معکوس افزایش می‌یابد. این بدان معناست که با افزایش ناحیه ای که لنز می‌تواند بگیرد، بزرگنمایی هر عنصر کاهش می‌یابد. سایر مشخصات نیز مانند فاصله کاری و دیافراگم باید در نظر گرفته شوند.

۴. نورپردازی

مسلماً مهمترین بخش یک سیستم بینایی نورپردازی است. این به این دلیل است که مهم نیست حسگر دوربین در نور کم چقدر حساس باشد، هیچ جایگزینی برای وضوح به دست آمده از یک هدف با نور خوب وجود ندارد. نورپردازی همچنین می تواند اشکال مختلفی داشته باشد که می‌تواند به مشخص شدن اطلاعات جدید در مورد یک هدف کمک کند.

چراغ‌های منطقه راه‌حلی عمومی برای توزیع یکنواخت نور مناسب پردازش تصویر هستند، تا زمانی که هدف از منبع فاصله خوبی داشته باشد تا از بروز نقاط داغ (نوعی نویز در تصاویر) جلوگیری شود میتوان از آن‌ها استفاده نمود.

۵. فیلترها

اگر نور ناخواسته اضافی از لنز عبور کند، می تواند جزئیات مهم را کاهش دهد. انواع مختلفی از فیلترها وجود دارد که می توان از آنها برای کاهش و حذف نور استفاده کرد. دو نوع اصلی فیلتر، دو رنگی و جذبی هستند. تفاوت اصلی بین آنها این است که فیلترهای دو رنگ به گونه ای طراحی شده اند که طول موج های نامطلوب را منعکس کنند در حالی که فیلترهای جذبی طول موج های اضافی را جذب می کنند تا فقط طول موج های مورد نیاز را منتقل کنند.

فیلتر کردن رنگ تنها کاربرد فیلترها نیست. فیلترهای چگالی خنثی (ND) سطح نور کلی را کاهش می دهند، در حالیکه پلاریزه کننده ها نور قطبیده را حذف می کنند که نور بازتابی را کاهش می دهد. پوشش های ضد انعکاس (AR)  به کاهش بازتاب در سیستم بینایی کمک می‌کنند. این به ویژه برای برنامه هایی مانند سیستم های ترافیکی هوشمند (ITS) مفید است که کاهش درخشندگی می‌تواند دقت نرم افزار تشخیص کاراکتر نوری (OCR) را افزایش دهد.

۶. نرخ فریم

سرعت دوربین را می توان بر حسب فریم بر ثانیه (fps) اندازه گیری کرد. دوربینی با نرخ فریم بالاتر می تواند تصاویر بیشتری ثبت کند. این همچنین بر هر تصویری که به دلیل کاهش زمان نوردهی هر تصویر با افزایش نرخ فریم گرفته می شود، تأثیر می گذارد. این مورد باعث تاری کمتری می شود زیرا دوربین از اهداف سریع مانند اشیاء روی تسمه نقاله عکس می‌گیرد. نقطه ضعف نوردهی های کوتاه، کمبود زمانی است که حسگر قادر به جمع آوری نور در طول هر عکس است. در این موارد، اندازه پیکسل بزرگتر برای سنسور اغلب به افزایش روشنایی کلی هر تصویر کمک می کند.

۷. نویز و بهره

وقتی نرخ فریم بالا ضروری است و نمی‌توان از نورگیری کوتاه مدت دوری کرد، تقویت بهره دوربین ممکن است به خاطر کاهش روشنایی جبران شود. دلیل اینکه بهره بالا نمی‌تواند راه حل آسانی برای تمام چالش‌های نوری باشد، ناشی از نویزی است که به وجود می‌آورد. با افزایش بهره، نویز نیز افزایش می‌یابد که باعث کاهش وضوح تصویر می‌شود. افزایش بهره (Gain) به دوربین امکان افزایش حساسیت سنسور را می‌دهد. این به معنای این است که سیستم بینایی می‌تواند تصویری روشن‌تر را با کمترین نور دریافت کند، اما همچنین باعث کاهش وضوح ناشی از نویز خواندن و نویز جریان تاریک می‌شود.

۸. عمق بیت و محدوده دینامیک

برای اندازه‌گیری دقیق هدف‌های خاص، سیستم بینایی نیاز به عمق بیت کافی دارد. هر چه عمق بیت بالاتر باشد، درجه تغییرات بین پیکسل‌ها نیز بالاتر است. از سوی دیگر، دامنه پویا نشان‌دهنده قابلیت دوربین برای تشخیص جزئیات از قسمت‌های درخشان تصویر تا قسمت‌های تاریک است.

در تصویربرداری فضای باز، معمولاً نیاز به بیش از 8 بیت وجود ندارد، مگر اینکه نیاز به اندازه‌گیری با دقت بالا مانند فتوگرامتری وجود داشته باشد. با این حال، از یک دامنه پویا بالا (high-precision measurement) در تصویربرداری فضای باز می‌توان بهره برداری زیادی کرد، به طور مثال با ثبت داده‌ها در نور خورشید، بخش روشن مانند آسمان که در بسیاری از تصاویر نامشخص است و ثبت جزئیات در سایه‌های هدف. یک راه حل ممکن می‌تواند افزایش تقویت یا زمان اکسپوژر باشد، اما این تنها منجر به دریافت جزئیات در سایه‌ها خواهد شد در حالی که داده‌های قسمت‌های درخشان را کاهش می‌دهد. دامنه پویا بالا می‌تواند تضمین کند که در هر بخش از تصویر وضوح وجود داشته باشد.

۹. نرم افزار

حتی با وجود سخت افزار پیشرفته، دوربین فقط می تواند آنچه را که نرم افزار می خواهد انجام دهد. اشکال اساسی اجزای نرم افزار در جمع آوری و کنترل تصویر، همراه با نرم افزار پردازش تصویر است. منبع اولیه داده‌های تصویر از نرم‌افزار جمع‌آوری و کنترل تصویر می‌آید که داده‌های خام را از دوربین گرفته و برای کاربر نهایی تفسیر می‌کند. یکی از روش‌های رایج انجام این کار این است که وقتی یک دوربین رنگی یک تصویر می‌گیرد، داده‌های پیکسلی از طریق فیلتر فیزیکی، فیلتر می‌شوند و سپس نرم‌افزار آن داده‌ها را برای ساخت یک تصویر رنگی می‌گیرد.

مرحله بعدی در درخت نرم افزار مربوط به کاری است که با داده های تصویر انجام می شود. این می‌تواند شامل وظایف مختلفی برای بینایی ماشین باشد، مانند بازرسی، تجزیه و تحلیل و ویرایش برای برنامه‌هایی مانند کنترل کیفیت زمانی که هدفی از کنار دوربین عبور می‌کند و نیاز به بررسی دارد.

۱۰. رابط کاربری (Interface)

از آنجایی که فناوری دوربین به پیشروی خود ادامه می‌دهد و منجر به حجم وسیعی از داده‌های تصویری می‌شود، توسعه روش‌هایی برای انتقال آن داده‌ها بسیار مهم است. رابط‌های دوربین به روش‌های مختلفی توسعه یافته‌اند تا طیف وسیعی از گزینه‌ها را برای هر برنامه تصویربرداری ارائه دهند. چهار راه حل متداول انتقال عبارتند از:  USB3، GigE، CoaXpress (CXP) و Camera Link High Speed(CLHS) ویژگی های اصلی که باید هنگام بررسی یک رابط سیستم بینایی در نظر گرفت، پهنای باند مورد نیاز، سیستم هماهنگ سازی، سهولت استقرار و طول کابل از موارد مهم در کار با این رابط‌ها می‌باشد.

همه را کنار هم بگذارید ...

بسیاری از ملاحظات در راه‌اندازی یک سیستم بینایی ماشینی وجود دارد و به همین دلیل بسیاری از شرکت‌ها برای کمک به خود در این وظیفه به سامانه‌های ادغام کننده (یکپارچه ساز) روی می‌آورند. کلید موفقیت در تعریف نیازهای سیستم بینایی و سپس شناسایی عناصر سیستم است که می‌توانند نتایج مطلوب را تولید کنند.

توان رسان در توسعه سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و بینایی همراه و مشاور صنایع می‌باشد و با سال‌ها تجربه شما را در این بخش پشتیبانی خواهد نمود.