Verhoog de productiekwaliteit:snelle digitale beeldverwerking verbetert de traditionele machinevisie

Machine vision is een bewezen procescontroletool voor een verscheidenheid aan industriële automatiseringstoepassingen. Traditioneel integreert deze technologie commerciële off-the-shelf (COTS) beeldsensoren, verlichtingsmodules en processors om onderdelen te geleiden, inspecteren of identificeren terwijl ze langs productielijnen bewegen. Vergeleken met menselijke operators zijn machine vision-systemen snel, nauwkeurig en herhaalbaar. Ze verbeteren de productkwaliteit, verlagen de afvalpercentages en verhogen de productiviteit in snelle productieomgevingen.

Hoewel de operationele voordelen duidelijk zijn, breidt snelle digitale beeldverwerking de voordelen, mogelijkheden en gebruiksscenario's voor machine vision nog verder uit. Dankzij hun hoge resolutie, hoge framesnelheden en streamingmogelijkheden maken hogesnelheidscamera's machinevisie mogelijk in uitdagende toepassingen die realtime analyse of lange recordtijden vereisen, zoals de productie van halfgeleiders, lanceringen van space shuttles, spoorweginspectie en meer. Om deze redenen vangen snelle machine vision-systemen op wat traditionele vision-systemen niet kunnen, en werpen licht op processen die te klein of te snel zijn om met het menselijk oog waar te nemen.

Belangrijkste kenmerken van snelle machinevisiecamera's

Hogesnelheidsmachine vision-camera's verschillen op verschillende manieren van traditionele machine vision-camera's. In plaats van COTS- of CCD-sensoren (Charge-Coupled Device) integreren hogesnelheidscamera's op maat ontworpen complementaire metaaloxide-halfgeleidersensoren (CMOS). Wanneer ze specifiek zijn ontworpen voor hogesnelheidstoepassingen, leveren CMOS-sensoren ongeëvenaarde snelheid en gevoeligheid, wat leidt tot gedetailleerdere inspecties en hogere opbrengsten in machine vision-toepassingen zoals defectdetectie, onderdeelmeting en meer. Hogesnelheidsmachine vision-camera's met CMOS-sensoren met meerdere megapixels bereiken een uitzonderlijke beeldkwaliteit, zelfs bij uitdagende framesnelheden.

Gewenste kenmerken

Hogesnelheidscamera's voor machinevisie winnen terrein in biowetenschappelijke toepassingen, ballistisch testen, 3D-printen en meer.

Het is niet voldoende dat machine vision-camera's simpelweg sneller gaan; ze moeten ontworpen zijn om ermee om te gaan. Naast hoge framesnelheden van meer dan 67.000 fps zijn de volgende kenmerken belangrijk om in gedachten te houden bij het selecteren van hogesnelheidscamera's voor machine vision-toepassingen:

Oplossing: Phantom machine vision-camera's bevatten CMOS-sensoren tot 9 megapixels. Deze multi-megapixelsensoren zorgen, in combinatie met de kleine pixelgroottes van de camera's, voor gedetailleerdere beelden bij hoge framesnelheden.

Lichtgevoeligheid: Over het algemeen geldt dat hoe kleiner de pixelgrootte, hoe groter het beelddetail, wat vooral belangrijk is bij toepassingen waarbij een microscoop nodig is. CMOS-sensoren hebben pixelgroottes van slechts 5,6 micrometer, wat resulteert in een hoge native ISO. Als gevolg hiervan bereiken deze camera's een uitstekende beeldkwaliteit, ondanks de korte belichtingstijden die nodig zijn voor snelle machine vision-toepassingen.

Blootstellingstijd: Fantoomcamera's hebben belichtingstijden van slechts 1 microseconde. Deze mogelijkheid, samen met de hoge lichtgevoeligheid en kleine pixelgroottes, bevriest bewegingen op hoge snelheid voldoende en elimineert bewegingsonscherpte.

Dynamisch bereik: Dynamisch bereik speelt een rol wanneer een afbeelding veel tinten heeft, of wanneer een onderwerp bijna dezelfde kleur heeft als de achtergrond. Hoe hoger het dynamische bereik van een camera, hoe meer schaduwdefinitie de sensor kan detecteren. Phantom machine vision-camera's hebben een dynamisch bereik tussen 54,8 en 59,7 decibel, waardoor ze geschikt zijn voor donkere toepassingen zoals halfgeleiderinspectie.

Naast sterk op maat gemaakte sensoren maken hogesnelheidsmachine vision-camera's gebruik van koperen CoaXPress (CXP)-kabeltechnologie, waardoor ze grote hoeveelheden gegevens in realtime kunnen overbrengen naar compatibele, industriestandaard backend framegrabbers. Deze mogelijkheid om gegevens onmiddellijk te streamen vermijdt het tijdrovende proces van het opslaan van gegevens in het beperkte RAM-geheugen van de camera voordat deze naar een computer worden gedownload. In combinatie met kant-en-klare DVR-eenheden ondersteunen deze streamingcamera's ook langere opnametoepassingen in de lucht- en ruimtevaart, zoals raketdynamica, vliegtuigdynamica en ballistiek, om er maar een paar te noemen.

Het CXP6-protocol is momenteel de snelste standaardmethode voor gegevensoverdracht. Elke koperen kabel bereikt gegevensoverdrachtsnelheden van 6,25 gigabits per seconde van de camera naar de backend-ontvangermachine. De recentere CXP12-standaard verdubbelt deze snelheid, waardoor zowel CXP6 als CXP12 ideaal zijn voor camera's die een hoge doorvoer vereisen.

Dankzij hun lichtgevoeligheid en hoge framerates zijn hoogwaardige streamingcamera's ideaal voor halfgeleiderinspectie.

Terwijl de meeste machine vision-camera's een gegevensdoorvoer tot 2 gigapixels per seconde bieden, bereiken 's werelds snelste streamingcamera's directe gegevensoverdrachtsnelheden tot 9 gigapixels per seconde. Deze camera's verdelen en verzenden beelden in rijen en voegen vervolgens elk beeld weer aan elkaar met behulp van een eenvoudig algoritme, waardoor hogere framesnelheden en resoluties mogelijk worden. Door te vertrouwen op GenICam, een generieke programmeerinterface, vergemakkelijken deze camera's ook de configuratie en integratie in bestaande systemen.

Realtime versus configuraties met lange records

De backend-configuratie in snelle machine vision-systemen is afhankelijk van een aantal variabelen, waaronder de vereiste framesnelheid, resolutie en opnametijd. Voor realtime analyse kunnen gebruikers maximaal 16 standaard CXP6-kanalen op de streamingcamera gebruiken. Terwijl CXP6-kabels communicatie tot 68 meter mogelijk maken, bereiken glasvezelconnectoren langere afstanden tot 200 kilometer. Gebruikers kunnen ook de algemene invoer/uitvoer (GPIO) van de camera gebruiken voor snelle, flexibele signalering en synchronisatie.

Andere hardware- en softwarecomponenten zijn onder meer:

• App-specifieke framegrabber en CXP6 framegrabberkaart;

• Software, inclusief de framegrabber API, Matlab®, LABVIEW of andere postprocessing vision-tools;

• Beeldverwerkingshardware, meestal een GPU-microprocessor of FPGA;

• Een computer met PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3-slots.

Terwijl de meeste snelle toepassingen plaatsvinden in honderden milliseconden, kunnen machine vision-toepassingen langere opnametijden vereisen – enkele minuten tot een half uur bijvoorbeeld – om gebeurtenissen zoals de lancering van een space shuttle op te vangen. Om de opslaguitdagingen die gepaard gaan met zo'n grote hoeveelheid gegevens te overwinnen, kunnen hogesnelheidsmachine vision-camera's gegevens rechtstreeks naar een DVR-eenheid streamen, die over meerdere terabytes aan ruimte beschikt. Dankzij deze plug-and-play-installatie kunnen gebruikers de binnenkomende gegevens eenvoudig opslaan voor analyse op een later tijdstip.

Traditionele Machine Vision-applicaties uitbreiden

Dankzij snelle machine vision-camera's kunnen fabrikanten beelden met een hogere resolutie en opnamenauwkeurigheid realiseren. Deze functies verhogen de lijnsnelheden en productievolumes, verminderen knelpunten en verlagen de kosten per eenheid. Tegelijkertijd kunnen deze streamingcamera's doelen op nanometerschaal vastleggen die anders moeilijk te zien zijn (laat staan ​​te analyseren) met behulp van traditionele machine vision-camera's, waardoor machine vision wordt getransformeerd van een procescontroletool naar een diagnostisch hulpmiddel. Als gevolg hiervan wint machinevisie steeds meer terrein in sectoren als de biowetenschappen, de productie van halfgeleiders, de farmaceutische industrie en meer.

Enkele van de nieuwste toepassingsgebieden voor high-speed machine vision zijn:

Halfgeleiderinspectie: Hogesnelheidscamera's voor machinevisie spelen een steeds belangrijkere rol in de productie van halfgeleiders, een industrie die wordt aangedreven door doorvoer. Ze identificeren en signaleren met name snel defecten aan onderdelen zodra ze zich voordoen, waardoor de defectgerelateerde kosten en uitvaltijd worden verlaagd, de doorvoer wordt verbeterd en de inspectietijden tot een minimum worden beperkt.

Machine vision-camera's van hoge kwaliteit bieden het noodzakelijke evenwicht tussen lichtgevoeligheid, signaal-ruisverhouding en hoge framesnelheden die vereist zijn voor halfgeleidertoepassingen, waarbij doorgaans sprake is van submicrongrootteschalen. Met een volledige resolutie van 4.096 x 2.304 beschikt de Phantom S990-streamingcamera bijvoorbeeld over een pixelgrootte van 6,75 μm, een opnamesnelheid van 9,6e-ruis en een opnamesnelheid van 938 fps, waardoor beelden van hoge kwaliteit worden gegenereerd waarmee de beeldverwerkingssoftware subtiele variaties tussen de lichte en donkere gebieden kan detecteren die op een defect duiden.

Hogesnelheidsspectrometers: Hogesnelheidsspectrometers worden gebruikt in veel toepassingen in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, de farmaceutische industrie en de landbouw en buigen wit licht naar verschillende golflengten om een absorptiespectrum te creëren, waardoor het mogelijk wordt de aanwezigheid van bepaalde materialen te detecteren. Een opkomende toepassing voor dit proces is het verifiëren van de chemische samenstelling van farmaceutische tabletten met behulp van hogesnelheidsmachinevisiecamera's. De camera's registreren tablets terwijl ze langs een transportband bewegen. Vervolgens kan de camera, op basis van het afgebogen, geabsorbeerde en doorgelaten licht dat de lens bereikt, defecte tablets signaleren, terwijl de productielijnen in beweging blijven.

Dankzij hun hoge opnamesnelheden en lichtgevoeligheid zijn high-speed streamingcamera's ideaal voor deze opkomende toepassing. Deze camera's bieden niet alleen een contactloze inspectiemethode, maar kunnen ook gemakkelijk tientallen tablets tegelijkertijd in hetzelfde gezichtsveld inspecteren, waardoor de doorvoersnelheid bij kritische farmaceutische operaties wordt verbeterd.

Camerafuncties streamen

In machine vision-streamingtoepassingen stromen beeldgegevens rechtstreeks naar een framegrabber en pc of DVR met lange opnames via CXP-kabeltechnologie. Gebruikers hebben onmiddellijk toegang tot deze gegevens, hetzij voor een realtime toepassing of voor een lange registratie, en worden alleen beperkt door de hoeveelheid opslagruimte op de pc of DVR.

• Andere kenmerken van snelle streamingcamera's zijn:

• Configureerbare bitdiepte:8-/12-bit, 8-/10-bit

• Aangedreven door CXP6-technologie voor sommige streamers die minder dan 27 volt verbruiken

• GenICam-compliance voor eenvoudige integratie

• Compatibiliteit met PCIe3 CXP6 framegrabbers

• GPIO biedt algemene en geavanceerde signaleringsfuncties

• Schaalbare gegevensoverdracht voor verminderde gegevensbehoeften

Spoorweginspectie: Hogesnelheidscamera's voor machinevisie hebben het potentieel om de manier waarop spoorwegsystemen worden geïnspecteerd te veranderen. In tegenstelling tot traditionele machine vision-camera's, die gedurende het jaar kostbare tijd verliezen door regen, sneeuw of stofstormen, bieden streamingcamera's de hoge framesnelheid, resolutie en lichtgevoeligheid die nodig zijn om door moeilijke weersomstandigheden heen te kijken. In tegenstelling tot de meeste camera's verwerken ze ook wit licht zonder het gebruik van extra lensfilters.

Andere opkomende toepassingsgebieden voor streamingcamera's zijn onder meer de levenswetenschappen, zoals celdiagnostiek; identificatie van injectieflacons en hemolyse; ballistisch testen; laserlassen; en 3D-printen.

Dit artikel is geschreven door Uma Gobena, Vision Application Engineer, Vision Research (Wayne, NJ). Bezoek hier  . voor meer informatie