Selecione o Tamanho da Luz de Visão Computacional

A tecnologia de visão computacional é um pilar importante na automação industrial moderna e na fabricação inteligente, sendo amplamente utilizada em inspeção, navegação, controle de qualidade e outros campos. Entre elas, as tecnologias de visão 2D, 2,5D e 3D são três tecnologias centrais, cada uma com características diferentes e cenários de aplicação.

I. antecedentes

Ao avaliar um esquema de fonte de luz visual, é uma consideração importante reservar um espaço adequado para a fonte de luz visual.

Durante a avaliação, se os testes e verificações da fonte de luz não forem realizados antecipadamente, pode haver um problema de o espaço reservado ser muito pequeno na fase posterior. Ou seja, a fonte de luz realmente disponível é frequentemente maior do que o espaço originalmente reservado, afetando assim o projeto; se uma fonte de luz de pequeno tamanho instalável for adotada para atender aos requisitos dimensionais, é muito provável que a qualidade de imagem seja insatisfatória e o efeito de irradiação seja prejudicado devido à incompatibilidade da fonte de luz, afetando o andamento de todo o projeto. No final, ainda será necessário modificar o espaço de instalação com base nas dimensões reais da fonte de luz, e todo o processo é demorado e trabalhoso.

Portanto, é particularmente importante realizar uma boa avaliação na escolha da fonte de luz na fase inicial ao avaliar o esquema visual. Atualmente, a maioria dos esquemas visuais realiza primeiramente testes de iluminação para determinar o tamanho e a altura da fonte de luz e, em seguida, projeta as demais partes, o que será de grande ajuda para o desenvolvimento tranquilo de todo o projeto na fase posterior.

II. Casos de Seleção

A seguir são apresentadas duas imagens comparando os efeitos de imagem de fontes de luz grandes e pequenas: a Figura 1 mostra que, devido à pequena fonte de luz, o ponto luminoso não consegue cobrir todo o campo de visão; a Figura 2 mostra que o tamanho da fonte de luz é adequado, conseguindo cobrir todo o campo de visão, com efeito uniforme no geral e características de detecção evidentes.

Como podemos selecionar uma fonte de luz de tamanho adequado sem realizar testes iniciais de iluminação? Após obter as amostras de teste, precisamos compreender as características de detecção, identificar o tipo de trajeto óptico e a cor da fonte de luz; após selecionar esses elementos, será possível determinar o tamanho necessário da fonte de luz.

Existem principalmente três pontos que servem como base de referência. Primeiro ponto: modo de irradiação, existem dois tipos de modos de irradiação, sendo um a irradiação frontal e outro a iluminação de fundo por trás; Segundo ponto: seleção da lente, há dois tipos de lentes, nomeadamente a lente FA e a lente telecêntrica; Terceiro ponto: distância de trabalho e tamanho do campo de visão da estrutura da fonte de luz.

III. Modo de Irradiação

Analisando a partir do modo de irradiação frontal, verifica-se se a superfície do produto a ser detectado é lisa e refletiva. Superfícies não refletivas possuem requisitos menores quanto ao tamanho da fonte de luz, sendo suficiente uma fonte de luz cerca de 1/2 do campo de visão.

Focando na superfície reflexiva, por exemplo, para avaliar como selecionar o tamanho da fonte de luz, primeiramente é necessário detectar as características na superfície reflexiva, e o ponto de luz deve cobrir todo o campo de visão e formar uma imagem uniforme, o que proporcionará um melhor contraste.  

Ao mesmo tempo, três parâmetros devem ser conhecidos: o tamanho do centro do alvo da câmera, a distância de trabalho da câmera até a superfície de detecção e o tamanho do campo de visão (o comprimento e a largura do campo de visão correspondem ao comprimento e à largura do sensor da câmera). Em segundo lugar, se a lente for uma lente FA, também é necessário conhecer o parâmetro do ângulo incluído. Desta forma, podem ser obtidos o ângulo de projeção e o ângulo de reflexão da lente da câmera, como mostrado nas figuras a seguir (Figura 3, Figura 4, Figura 5). Pode-se observar que a projeção e a reflexão formam uma figura em forma de W. Se a fonte de luz estiver fora do ângulo de projeção (como mostrado na Figura 3), haverá manchas de luz no ângulo de reflexão; se a fonte de luz estiver na posição crítica do ângulo de reflexão (como mostrado na Figura 4), a mancha de luz será visível na borda do campo de visão da imagem; somente quando a fonte de luz estiver fora da borda de reflexão (W) (como mostrado na Figura 5) será obtida uma imagem com efeito uniforme.

O mesmo se aplica à irradiação de fundo com retroiluminação, porém não há necessidade de calcular o ângulo de reflexão. Quanto mais distante a fonte de luz estiver da superfície de detecção, maior será a distância da largura estendida do ângulo de projeção. Ao selecionar uma retroiluminação para lentes de automação (FA), pode-se realizar o cálculo e avaliação desta forma. Conforme mostrado na figura a seguir:

IV. Seleção da Lente

Os dois modos de irradiação mencionados acima mencionam apenas a lente FA, e as imagens e textos também utilizam a lente FA como exemplo para referência. Existe, no entanto, outro tipo de lente que precisa ser explicado, ou seja, a lente telecêntrica comumente utilizada. A lente telecêntrica é basicamente do tipo de trajeto óptico paralelo, portanto, ao selecionar o tamanho da fonte de luz com a lente telecêntrica, basta que seja ligeiramente maior do que o campo de visão real. Conforme mostrado na figura a seguir:

V. Distância de Trabalho e Tamanho do Campo de Visão da Estrutura da Fonte de Luz

Após conhecer o centro do alvo da câmera e a distância de trabalho, o ângulo da lente, a distância de trabalho da fonte de luz e o campo de visão, o tamanho da fonte de luz pode ser determinado por meio de cálculos. Ao mesmo tempo, softwares como o CAD podem ser utilizados para desenhar gráficos de acordo com os parâmetros, permitindo visualizar intuitivamente onde será o ponto luminoso da fonte de luz e determinar se o tamanho da fonte de luz selecionada é adequado. Conforme mostrado na figura a seguir:

Quando a lente é uma lente FA comum, a relação entre a distância de trabalho da fonte de luz (Wd) e o comprimento da luz superficial (L) pode ser obtida a partir das características de triângulos semelhantes:  

WD/(WD+wd)=FOV/L

Quando a lente é uma lente telecêntrica, basta que a posição de instalação da fonte de luz selecionada garanta que  L > FOV.

VI. Conclusão

No esquema de inspeção de visão computacional, a seleção da fonte de luz visual é uma parte importante. A correta escolha do esquema de iluminação contribui para o funcionamento eficiente de todo o sistema de visão, e uma fonte de luz adequada pode economizar efetivamente custos e espaço de instalação do mecanismo.