W tym artykule przedstawiamy analizę problemu detekcji defektów powierzchniowych, które są niewidoczne w standardowych warunkach oświetleniowych. Opisujemy, dlaczego proste systemy wizyjne zawodzą i przeprowadzamy ocenę trzech różnych architektur oświetlenia. Finalnie, wyjaśniamy, dlaczego podejście oparte na skanowaniu z użyciem lasera liniowego okazało się najbardziej efektywnym i niezawodnym rozwiązaniem.

Główne Wyzwanie: Defekty Bez Cienia

Podstawowym problemem w naszym systemie kontroli jakości była detekcja małych otworów na płaskiej powierzchni. Kluczowe uwarunkowania, które czyniły to zadanie wyjątkowo trudnym, to:

• Charakter defektu: Otwory miały ten sam kolor i teksturę co materiał bazowy, co wykluczało prostą analizę koloru lub wzoru.
• Oświetlenie otoczenia: Hala produkcyjna, z licznymi świetlikami dachowymi i bocznymi, była zalana mocnym, ale ekstremalnie rozproszonym światłem. Taki typ oświetlenia jest pożądany dla bezpieczeństwa pracy, ale dla systemów wizyjnych jest zabójczy – eliminuje praktycznie wszystkie cienie.

Bez cieni, wgłębienia stają się optycznie "płaskie" i niemożliwe do odróżnienia od reszty powierzchni.

Pierwsze Podejście i Jego Porażka: Standardowa Kamera Przemysłowa

Naszą pierwszą hipotezą było zastosowanie standardowej kamery przemysłowej o wysokiej rozdzielczości, skierowanej na linię produkcyjną.

‍

Wynik: Całkowite niepowodzenie. Obraz rejestrowany przez kamerę nie wykazywał żadnych śladów defektów.

Analiza porażki: Problem nie leżał w rozdzielczości kamery, ale w fizyce oświetlenia. Brak cieni na obrazie oznaczał brak informacji o głębi. Jeśli ludzkie oko nie widzi defektu w tych warunkach, algorytm komputerowy, bazujący na tych samych danych wejściowych, również go nie zobaczy. Wniosek był jednoznaczny: musimy przejąć kontrolę nad oświetleniem i aktywnie generować cienie.

Ocena Alternatywnych Architektur Oświetlenia

Rozważyliśmy trzy konkurencyjne strategie oświetleniowe, każdą z nich oceniając pod kątem skuteczności, złożoności implementacyjnej i kosztów.

Podejście #1: Oświetlacz Liniowy Ustawiony Równolegle

Koncepcja: Użyć jednej, długiej lampy liniowej, ustawionej pod ostrym kątem wzdłuż całej linii produkcyjnej. Pozwoliłoby to na analizę całej palety produktów na jednym zdjęciu, maksymalizując przepustowość.

Problem: Nierównomierność oświetlenia. Zgodnie z prawem odwrotnych kwadratów, intensywność światła drastycznie spada wraz z odległością. Produkty blisko lampy byłyby prześwietlone, a te w centrum palety – niedoświetlone. Dodanie drugiej lampy po przeciwnej stronie zniwelowałoby cienie. Odsunięcie lampy na większą odległość, aby ujednolicić oświetlenie, wymagałoby tak dużej przestrzeni, że szerokość maszyny stałaby się nieakceptowalna.

Werdykt: Odrzucone. Teoretycznie szybkie, ale praktycznie niewykonalne w ramach rozsądnych ograniczeń fizycznych maszyny.

Podejście #2: Skanowanie Liniowe z Użyciem Lampy LED

Koncepcja: Zmienić architekturę z analizy "całej palety na raz" na "linia po linii". Lampa liniowa jest tu ustawiona prostopadle do ruchu produktu i oświetla tylko wąski pasek. Do akwizycji obrazu wykorzystuje się kamerę liniową (np. Basler racer o matrycy 8192x1 px). W miarę przesuwania się produktu, kolejne "linie" obrazu są składane w jeden, spójny skan o wysokiej rozdzielczości.

Zalety: Rozwiązuje problem równomierności oświetlenia. Analizujemy tylko wąski, dobrze oświetlony fragment.

Wady:
- Złożoność mechaniczna: Aby cień był ostry, lampa musi znajdować się blisko produktu. Zmienna wysokość produktów wymusza zastosowanie aktywnego systemu pozycjonowania lampy (np. na serwomechanizmie), co wprowadza ruchome części, zwiększa ryzyko awarii i komplikuje system safety.
- Wysoki pobór mocy: Aby "przebić się" przez silne światło otoczenia, lampa musi być bardzo mocna, co przekłada się na wysokie zużycie energii i generowanie ciepła.

Werdykt: Technicznie wykonalne, ale skomplikowane i kosztowne w eksploatacji.

Podejście #3: Skanowanie Liniowe z Użyciem Lasera

Koncepcja: Architektura jest identyczna jak w podejściu #2 (skanowanie prostopadłe), ale źródłem światła zamiast lampy LED jest laser liniowy.

Zalety:

- Brak elementów ruchomych: Skupiona wiązka lasera pozwala na umieszczenie go w dużej odległości (1-2 metry) od produktu. Eliminuje to całkowicie potrzebę regulacji wysokości, a co za tym idzie – serwomechanizmów, systemów safety i skomplikowanej certyfikacji. Maszyna staje się prostsza i bardziej niezawodna.
- Ekstremalnie niski pobór mocy: Lasery generujące wyraźną linię, zdolną przyćmić światło otoczenia, mają pobór mocy na poziomie poniżej 1W.

Werdykt: Zwycięzca. Oferuje wszystkie zalety skanowania liniowego, jednocześnie eliminując jego główne wady – złożoność mechaniczną i wysoki pobór mocy.

‍

Decyzja i Dalsze Kroki

Wybraliśmy podejście oparte na skanowaniu laserowym, ponieważ oferuje ono najbardziej niezawodną i efektywną kosztowo architekturę do rozwiązania postawionego problemu. Eliminacja części ruchomych była kluczowym czynnikiem, który bezpośrednio przekłada się na niższy całkowity koszt posiadania (TCO) i wyższą dostępność operacyjną maszyny.

W kolejnych częściach tej serii zagłębimy się w szczegóły implementacyjne:

• Dobór parametrów lasera: długość fali, moc i optyka kształtująca wiązkę.
• Analiza sygnatury, jaką linia lasera pozostawia na różnych typach defektów.
• Strategie przetwarzania obrazu i budowa algorytmów do automatycznej interpretacji danych ze skanera.

‍