Témata
Reklama

Jaké objektivy vybrat pro strojové vidění a proč

Strojírenské i další výrobní firmy často řeší problém, jak co nejpřesněji a nejefektivněji něco změřit. Ke skutečně přesnému měření je nejúčinnější využít strojové vidění. Jenže abyste dostali opravdu špičkový výsledek, potřebujete nejen kvalitní software a dobrou kameru, ale hlavně správně vybraný typ objektivu. Jde o někdy podceňované téma, nicméně právě ve výběru objektivu se často chybuje, a pak je ohrožen celý výsledek měření, potažmo i výsledná kvalita výrobku. K tomu, aby se to nestalo i vám, pomohou následující řádky.

Endocentrický objektiv

Při výběru se určitě poraďte s odborníkem specializovaným právě na objektivy, respektive s jejich kvalifikovaným prodejcem. Základním typem objektivu je objektiv endocentrický. Jde o standardní objektiv, který se chová jako lidské oko. Objekty, které jsou blíže objektivu, se na snímaném obrazu tudíž zdají větší než ty, které jsou od objektivu dále. Takovéto objektivy proto bývají pro měřicí úlohy strojového vidění většinou nevhodné, protože zkreslují rozměry předmětu podle jeho polohy vůči kameře.

Reklama
Reklama

Telecentrický objektiv

Naopak hojně používaným typem ve strojovém vidění je telecentrický objektiv. Ten nám oproti lidskému oku nebo endocentrickému objektivu zaručí vždy stejnou velikost objektu. Jinými slovy, pokud se objekt nachází v oblasti hloubky ostrosti objektivu (objekt vidíme ostře), má vždy stejnou velikost.

Telecentrický objektiv je složená čočka, která má svou vstupní nebo výstupní pupilu nastavenou na nekonečno. V případě, že jde o vstupní pupilu, vytváří se pravoúhlý obraz předmětu. To znamená, že hlavní paprsky – šikmé paprsky, které procházejí středem aperturní clony – jsou rovnoběžné s optickou osou před nebo za systémem. Tyto objektivy kromě zmíněné vždy stejné velikosti objektu zaručují také zanedbatelnou deformaci obrazu ve směru od středu ke krajům. Rovněž se vyhneme zkreslení danému perspektivou. Proto jsou telecentrické objektivy vhodné právě pro velmi přesné měření nutné ve strojovém vidění.

Zmíněnou čočkou, respektive clonkou umístěnou v jejím ohnisku, projdou pouze rovnoběžné paprsky. Výsledná ztráta perspektivy obrazu a takzvaná paralelní projekce mají však i své nevýhody. Clonka zajišťující telecentricitu má jako vedlejší efekt značný úbytek světelnosti. Inspektovaný předmět je proto nutné dostatečně nasvítit. Důležité také je, že tento inspektovaný předmět musí být vždy menší než průměr objektivu. Například pokud chceme měřit rozměry čtvercové součástky o rozměrech 50 x 50 mm, musíme mít průměr optiky větší, než je tato součástka. Je tedy nutno použít minimálně optiku s rozměrem 72 mm nebo větší, aby bylo vidět opravdu celý předmět – diagonálně má 71 mm.

Telecentrické a bi-telecentrické objektivy VICO

Bi-telecentrický objektiv

Dalším typem velmi vhodným pro strojové vidění je bi-telecentrický objektiv, který má na nekonečno nastaveny obě pupily objektivu: vstupní i výstupní. I ten se podobně jako telecentrický objektiv používá pro přesná měření, má však několik výhod. Díky faktu, že paprsky jsou rovnoběžné na obou stranách objektivu (u objektivu telecentrického může docházet k odklonu paprsků), má bi-telecentrický objektiv mnohem konstantnější výsledný obraz. Další velkou výhodou je vyšší kontrast výsledného obrazu.

Tyto výhody se při konkrétní aplikaci ve strojovém vidění projevují zejména kvalitnějším vstupním obrazem – vyšší kontrast znamená, že lze snadněji rozeznat hrany předmětů, což se projeví zejména při použití předního osvětlovacího prvku osvětlujícího předmět směrem od objektivu (např. kruhový osvětlovač kolem objektivu). Konstantnější výsledný obraz pak znamená mnohem menší odchylky při měření. Při opakovaném měření totožného předmětu tak nebude docházet k rozdílným výsledkům.

Ukázka objektivu s možností přidání koaxiálního osvětlení

Abychom uvedli příklad z praxe, bi-telecentrický objektiv byl společností Kinalisoft použit například v přístroji určeném ke kontrole při výrobě délkových měřidel (skládacích metrů). Bylo zde nutné kompenzovat fakt, že metr byl na kontrolu zakládán manuálně, a tak byl ustavován směrem ke kameře vždy s drobnou odchylkou. Záleželo pokaždé na tom, jak dobře se ho obsluze podařilo umístit na pozici inspekce. Proto se zde výborně hodila právě výše zmíněná stálá velikost předmětu bez ohledu na vzdálenost od kamery. Vysoká přesnost použitého bi-telecentrickeho objektivu Vico byla nutná i proto, že zmíněný přístroj sloužil jako ověřující zařízení pro kvalitu měřidel III. třídy přesnosti, a jako takový podléhal schvalování a kontrole Českého metrologického institutu. Vysoká přesnost a spolehlivost tohoto systému proto byla nutností a k tomu významně napomohlo právě využití bi-telecentrického objektivu.

Vizualizace scény – rozdíl mezi „běžným“ a telecentrickým objektivem

Dokonalou souhru s objektivem musí tvořit i vhodně vybrané nasvícení. Zde existuje základní dělení na přední (např. kruhový osvětlovač kolem objektivu) a zadní nasvícení. Při potřebě předního nasvícení nabízejí někteří výrobci takzvané objektivy s koaxiálním osvětlením, které – za využití soustavy zrcadel – umožňují nasvítit předmět přímo „z objektivu“. Toto nasvícení je velmi vhodné pro inspekci kvality povrchu předmětu (kontrolu přítomnosti škrábanců). Při potřebě měřit předmět hraje důležitou úlohu takzvané zadní světlo. Je to typ nasvícení předmětu, kdy se osvětlovač nastaví přímo proti objektivu a měřený předmět se umístí mezi něj a objektiv. Pokud se pro osvětlení zvolí telecentrický osvětlovač, pak taková soustava vykazuje výborné výsledky v přesnosti měření. Měřenému předmětu se zvýrazní hrany, navíc nevadí, když je tento předmět průhledný nebo lesklý. Efekt telecentricity způsobí, že se předmět stane neprůhledným. Ve strojírenství se zadní světlo využívá například při měření opotřebení obráběcích nástrojů.

Pokud chceme například měřit kulatý předmět na průměr, šlo by to bez telecentrického zadního světla dosti obtížně. Výsledkem by kvůli obtékání světla byly rozostřené hrany předmětu. Telecentrické světlo oproti tomu emituje pouze přímé světlo, a tak hrany neobtéká. Směřuje přímo do objektivu, a jakmile má v cestě překážku, tak se zastaví, ať je překážka kulatá, nebo ne. Výsledkem jsou pěkně viditelné kontury a přesné měření.

Charakteristiky a výhody hlavních typů objektivů jsme tedy již popsali. Nyní se však ještě zaměřme na to, jak přesně postupovat při výběru jednoho konkrétního objektivu pro vaše zadání, které potřebujete vyřešit.

Nejprve je třeba si stanovit, s jakou přesností potřebujete daný předmět měřit. U telecentrických objektivů stačí zvolit soustavu s rozlišením odpovídajícím vašim představám přesnosti. U běžných objektivů bychom volili většinou hodnotu 2 pixely nad požadovanou přesností. Například pokud máme měřit s přesností 0,05 mm, tak u telecentrického objektivu stačí, aby pixel kamery odpovídal této hodnotě, u běžných objektivů by měl odpovídat hodnotě 0,025 mm.

Dále si určíme zorné pole, které potřebujeme kamerou vidět. Při počítání zorného pole vezměte v potaz nejen rozměry kontrolovaného předmětu, ale i určitý výsek okolí, který umožní kompenzovat chyby v přesnosti nájezdu předmětu před kameru. Typicky půjde o 1–2 mm z každé strany. Také je zapotřebí zjistit, jakou hloubku ostrosti potřebujeme. Určíme to pomocí údaje, jak je inspektovaný předmět hluboký ve směru osy od kamery.

Důležitá pro výběr konkrétního objektivu je samozřejmě i použitá kamera. Podstatný údaj, který nás u kamery zajímá, je velikost senzoru. Určuje, jaké objektivy můžeme pro kameru zvolit. Zde se často chybuje a je skutečně důležité, aby velikost senzoru kamery a vybraného objektivu odpovídala. Dále nás zajímá rozlišení. Vyšší rozlišení umožní interpretovat celkové zorné pole pomocí více pixelů. Obecně platí, že u aplikací využívajících telecentrické objektivy lze deklarovat 2- až 3krát vyšší přesnost, než vychází z poměru mm zorného pole na pixel. U pohybujících se předmětů dejte pozor na způsob snímání obrazu – zde by kamera vždy měla být vybavena global shutterem.

Na základě všech těchto faktorů pak vybíráme nejvhodnější objektiv. Je zapotřebí vybrat objektivy, které svým zvětšením umožní pro vybraný čip kamery snímat celé požadované zorné pole (viz speciální kalkulačky na webu některých prodejců objektivů). Z výsledného seznamu objektivů pak vyberte takové, které mají dostatečnou hloubku ostrosti pro příslušný předmět.

V případě, že nenajdete přesně takový model, který potřebujete, hledejte alespoň model s potřebnou hloubkou ostrosti. Takový model pak ovšem může mít větší zorné pole, než skutečně potřebujete. To má negativní dopad na přesnost měření (rozměr, který je snímán jedním pixelem kamery), proto musíte ověřit, že nepřekračujete limity požadované přesnosti v rámci vašeho projektu.

Jak vyplynulo z celého textu, výběr správného objektivu je obzvláště u úloh přesného měření klíčový a nevyplatí se jej podcenit. Pokud se však budete držet všech výše uvedených rad, neměli byste s tím mít vážnější problém.

Kinalisoft a Prumysloveobjektivy.cz

Radek Štourač

radek.stourac@prumysloveobjektivy.cz

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 170724
Datum: 27. 06. 2017
Rubrika: Výroba / Průmysl 4.0
Autor:
Firmy
Související články
Trendy ve světě přesné měřicí techniky

Požadavky kladené na kontrolu kvality se rok od roku stále zvyšují. S tímto trendem se musejí vypořádat všichni výrobci měřicí techniky. Shodně je tomu i u firmy Mitutoyo, která se snaží šíří svého sortimentu maximálně vyhovět požadavkům pro dílenskou kontrolu, měrové laboratoře i procesní kontrolu, ale zároveň neopomíjí současný trend - Průmysl 4.0 a IoT - požadavek na inteligentní komunikativní měřidla a přístroje.

Plná digitalizace v systémech zajištění kvality

V posledních době se pojem Průmysl 4.0 stal běžnou součástí našeho života. Co se však za tím skrývá? Cílem této velké změny je vytvořit plně „digitalizovaný systém“, který umožní flexibilní výrobu v celém jejím cyklu. Bude minimalizovat lidské vlivy a optimalizovat na základě získaných dat všechny složky výrobního procesu. To znamená počínaje vývojem a konstrukcí počínaje přes předvýrobní etapy a nákup materiálu až po samotnou výrobu vč. zajištění kvality a distribuci finálních produktů.

Laserové svařování pro Průmysl 4.0

Vláknové lasery jsou významným nástrojem pro svařovací aplikace, které slouží mnoha zavedeným odvětvím i novým rychle rostoucím oborům. Pro progresivní výrobce, kteří již výhod laserového svařování využívají, zůstává otázkou, jak dále zlepšit efektivitu procesu a být krok napřed oproti konkurenci. Optimalizace jakéhokoli průmyslového procesu pro inteligentní výrobu vyžaduje vysoce kvalitní on-line sběr dat. Stále roste potřeba technologií, které pomohou lépe monitorovat proces laserového svařování.

Související články
Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Využití neuronových sítí v optické kontrole

Většina moderních výrobních firem aktivně řeší, jak během výrobního procesu dosáhnout co nejvyšší kvality, za co nejnižší náklady. Přesto může dojít k chybě a vyráběný produkt není v požadované kvalitě. Důvodů může být mnoho, od špatného vstupního materiálu, přes poruchu některého ze strojů, či chyby operátora.

Konference Rolling Future se blíží

Česká SKF pozvala Alrika Danielsona, CEO SKF AB, aby byl jedním z keynote speakerů na konferenci, kterou pořádá ke svému stému výročí působení v českých zemích. Účastníci budou mít díky reálnému modelu a rozšířené realitě (augmented reality) možnost vyzkoušet si, jak funguje zcela nová technologie SKF Fiber Optic Sensing (snímání dat z ložisek pomocí optických vláken), která namísto elektřiny využívá světla. Konference Rolling Future se uskuteční 21. května v nové budově Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky.

Přesné upínání pro měřicí techniku

Měřicí technika je jednou ze základních součástí průmyslových výrobních procesů, výzkumu a vývoje i mnoha dalších aplikací. Kromě řídicí technologie patří mezi další klíčové požadavky možnost automatizace a vhodnost pro Průmysl 4.0.

Velkoformátové měření za nízkou cenu

Společnost Hoffmann Group přináší na trh nový konturograf s CNC řízením, který se vyznačuje velkým měřicím rozsahem 190 mm.

Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

Objektivní měření kruhovitosti

Kontrola technických parametrů předpokládá nejen využití vhodných přístrojů a metod měření, ale i optimálních postupů provádění, které zajistí maximální věrohodnost získaných výsledků. I při měření kruhovitosti se vyskytuje řada faktorů, které ovlivňují objektivnost a přesnost výsledků kontroly.

Měřicí technika ve strojírenství

V článku jsou uvedeny některé měřicí metody a měřicí přístroje pro kontrolu kvality strojírenské výroby z oblasti rozměrových měření a měření geometrických parametrů, zejména úchylek tvaru, polohy a drsnosti, resp. textury povrchu. Důraz je kladen zvláště na metrologické parametry měřicí techniky, největší dovolenou chybu a rozlišení.

Směry vývoje kontroly povrchu

Zvýšení rychlosti kontroly a rozšíření možností aplikace metrologických prostředků a systémů v praxi patří k současným vývojovým trendům měření a hodnocení kvality povrchu. Pokrok v kontrole povrchu je představen na novinkách v optickém interferometrickém měření, které v uplynulém období zaznamenalo velmi intenzivní rozvoj.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit