เลือกขนาดของแสงสำหรับระบบมองเห็นของเครื่องจักร

เทคโนโลยีระบบการมองเห็นของเครื่องจักรเป็นเสาหลักสำคัญของการผลิตอัตโนมัติและระบบการผลิตอัจฉริยะในยุคอุตสาหกรรมปัจจุบัน ถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในงานตรวจสอบ งานนำทาง และการควบคุมคุณภาพ รวมถึงสาขาอื่นๆ อีกมากมาย โดยเฉพาะเทคโนโลยีระบบมองเห็นแบบ 2D, 2.5D และ 3D ซึ่งเป็นสามเทคโนโลยีหลักที่มีลักษณะเฉพาะและสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

I. หลักฐาน

เมื่อประเมินแผนแบบแหล่งกำเนิดแสงสำหรับงานภาพ ถือเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องเผื่อพื้นที่ที่เหมาะสมไว้สำหรับติดตั้งแหล่งกำเนิดแสงภาพ

ในระหว่างการประเมิน หากไม่ได้ทำการทดสอบและตรวจสอบแหล่งกำเนิดแสงล่วงหน้า อาจเกิดปัญหาในขั้นตอนต่อมาว่าพื้นที่ที่เตรียมไว้มีขนาดเล็กเกินไป โดยทั่วไปแล้ว แหล่งกำเนิดแสงจริงที่ใช้ได้อาจมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่ที่ได้เตรียมไว้ในเบื้องต้น ส่งผลให้โครงการดำเนินไปไม่ได้ หากเลือกใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ติดตั้งได้ขนาดเล็กเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านขนาด ก็มีความเป็นไปได้อย่างมากว่าคุณภาพของภาพจะไม่ดีพอและผลการส่องสว่างไม่น่าพอใจ เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงไม่เหมาะสม ส่งผลกระทบต่อความคืบหน้าของโครงการทั้งหมด ในท้ายที่สุดยังคงจำเป็นต้องปรับปรุงพื้นที่ติดตั้งใหม่ตามขนาดจริงของแหล่งกำเนิดแสง กระบวนการทั้งหมดนี้จึงต้องใช้เวลามากและใช้แรงงานมาก

ดังนั้น การประเมินผลในการเลือกแหล่งกำเนิดแสงในระยะเริ่มต้นของการประเมินแผนการมองเห็นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในปัจจุบัน แผนการมองเห็นส่วนใหญ่จะเริ่มต้นด้วยการทดสอบการส่องสว่างก่อน เพื่อกำหนดขนาดและความสูงของแหล่งกำเนิดแสง จากนั้นจึงออกแบบส่วนอื่นๆ ซึ่งจะช่วยให้โครงการทั้งหมดดำเนินไปอย่างราบรื่นในระยะต่อไป

II. กรณีการเลือกใช้งาน

ต่อไปนี้คือภาพสองภาพที่เปรียบเทียบผลลัพธ์การสร้างภาพของแหล่งกำเนิดแสงขนาดใหญ่และขนาดเล็ก: รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่า เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงมีขนาดเล็ก จุดแสงจึงไม่สามารถครอบคลุมมุมมองได้; รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่า ขนาดของแหล่งกำเนิดแสงเหมาะสม สามารถครอบคลุมมุมมองทั้งหมดได้ โดยให้ผลลัพธ์โดยรวมสม่ำเสมอ และมีลักษณะการตรวจจับที่ชัดเจน

เราจะเลือกแหล่งกำเนิดแสงที่มีขนาดเหมาะสมได้อย่างไร โดยไม่ต้องทำการทดสอบการส่องแสงในขั้นต้นก่อน? หลังจากได้รับตัวอย่างทดสอบแล้ว เราจำเป็นต้องทำความเข้าใจคุณสมบัติในการตรวจจับ วิเคราะห์ประเภทเส้นทางแสงและสีของแหล่งกำเนิดแสง เมื่อเลือกสิ่งเหล่านี้ได้แล้ว จึงสามารถพิจารณาขนาดที่ต้องการของแหล่งกำเนิดแสงได้

โดยหลักแล้วมีอยู่สามประเด็นที่ใช้เป็นเกณฑ์ในการอ้างอิง ประเด็นแรก: โหมดการส่องแสง มีอยู่สองแบบ คือ ส่องด้านหน้า และส่องจากด้านล่างแบบแสงพื้นหลัง; ประเด็นที่สอง: การเลือกเลนส์ มีอยู่สองประเภท ได้แก่ เลนส์ FA และเลนส์เทเลเซนตริก (telecentric lens); ประเด็นที่สาม: ระยะการทำงาน (working distance) และขนาดของมุมมอง (field of view) ของโครงสร้างแหล่งกำเนิดแสง

III. โหมดการส่องแสง

จากการพิจารณาโหมดการส่องด้านหน้า ว่าพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ที่ตรวจจับนั้นมีความเรียบและสะท้อนแสงหรือไม่ พื้นผิวที่ไม่สะท้อนแสงจะมีข้อกำหนดต่อขนาดของแหล่งกำเนิดแสงต่ำ และแหล่งกำเนิดแสงที่มีขนาดประมาณ 1/2 ของมุมมอง (field of view) ก็เพียงพอแล้ว

การที่มุ่งเน้นไปที่พื้นผิวสะท้อนแสงเป็นตัวอย่างเพื่อพิจารณาวิธีการเลือกขนาดของแหล่งกำเนิดแสง ขั้นแรกจำเป็นต้องตรวจจับลักษณะเฉพาะบนพื้นผิวสะท้อนแสง และจุดแสงควรครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมดที่มองเห็นได้และสร้างภาพที่สม่ำเสมอ ซึ่งจะช่วยให้ได้คอนทราสต์ที่ดีขึ้น  

ในเวลาเดียวกัน ควรทราบค่าพารามิเตอร์สามอย่างให้ได้ก่อน ได้แก่ ขนาดของจุดศูนย์กลางเป้าหมายของกล้อง ระยะห่างในการทำงานจากกล้องไปยังพื้นผิวที่ตรวจจับ และขนาดของมุมมอง (ความยาวและความกว้างของมุมมองจะสอดคล้องกับความยาวและความกว้างของชิปกล้องตามลำดับ) ประการที่สอง หากเลนส์เป็นเลนส์ FA ยังจำเป็นต้องทราบค่าพารามิเตอร์ของมุมแหว่งด้วย ด้วยวิธีนี้ เราจึงสามารถหาค่ามุมโปรเจกชันและมุมสะท้อนของเลนส์กล้องได้ ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ (รูปที่ 3, รูปที่ 4, รูปที่ 5) จะเห็นได้ว่าการโปรเจกชันและการสะท้อนจะก่อให้เกิดรูปแบบตัว W หากแหล่งกำเนิดแสงอยู่ภายนอกมุมโปรเจกชัน (ดังแสดงในรูปที่ 3) จะเกิดจุดแสงในมุมสะท้อน หากแหล่งกำเนิดแสงอยู่ในตำแหน่งวิกฤตของมุมสะท้อน (ดังแสดงในรูปที่ 4) จะมองเห็นจุดแสงบนขอบของภาพที่มองเห็นได้ เฉพาะเมื่อแหล่งกำเนิดแสงอยู่ภายนอกขอบสะท้อน (W) (ดังแสดงในรูปที่ 5) เท่านั้น จึงจะได้ภาพผลลัพธ์ที่มีแสงสม่ำเสมอ

สำหรับการส่องสว่างจากด้านล่างด้วยแสงแบบฉายแนวระดับก็เช่นเดียวกัน แต่ไม่จำเป็นต้องคำนวณมุมสะท้อน การที่แหล่งกำเนิดแสงอยู่ไกลจากพื้นผิวตรวจจับมากขึ้น จะทำให้ระยะความกว้างที่ขยายออกของมุมการฉายแสงเพิ่มมากขึ้น เมื่อเลือกแสงแบบ backlight สำหรับเลนส์ FA สามารถคำนวณและประเมินได้ตามวิธีนี้ ดังรูปต่อไปนี้:

IV. การเลือกเลนส์

โหมดการส่องสว่างทั้งสองแบบที่กล่าวมาข้างต้นกล่าวถึงเฉพาะเลนส์ FA เท่านั้น และรูปภาพรวมทั้งข้อความก็ใช้เลนส์ FA เป็นตัวอย่างอ้างอิง อย่างไรก็ตามยังมีอีกประเภทหนึ่งของเลนส์ที่จำเป็นต้องอธิบายเพิ่มเติม นั่นคือ เลนส์เทเลเซนตริก (telecentric lens) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นเลนส์ที่ใช้เส้นทางแสงแบบขนาน ดังนั้นเมื่อเลือกขนาดของแหล่งกำเนิดแสงร่วมกับเลนส์เทเลเซนตริก เราจำเป็นต้องเลือกให้ใหญ่กว่าพื้นที่มุมมองจริง (actual field of view) เพียงเล็กน้อยก็เพียงพอแล้ว ดังรูปต่อไปนี้:

V. ระยะการทำงานและขนาดของมุมมองของโครงสร้างแหล่งกำเนิดแสง

เมื่อทราบจุดศูนย์กลางเป้าหมายของกล้องและระยะการทำงาน มุมของเลนส์ ระยะการทำงานของแหล่งกำเนิดแสง และมุมมองของภาพ สามารถคำนวณเพื่อหาขนาดของแหล่งกำเนิดแสงได้ ในเวลาเดียวกัน สามารถใช้ซอฟต์แวร์เช่น CAD วาดรูปตามพารามิเตอร์ เพื่อให้มองเห็นอย่างชัดเจนว่าตำแหน่งของแสงจากแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่ใด และกำหนดได้ว่าขนาดของแหล่งกำเนิดแสงที่เลือกไว้นั้นเหมาะสมหรือไม่ ดังรูปต่อไปนี้

เมื่อเลนส์เป็นเลนส์ FA ธรรมดา ความสัมพันธ์ระหว่างระยะการทำงานของแหล่งกำเนิดแสง (Wd) กับความยาวของแสงบนพื้นผิว (L) สามารถคำนวณได้จากคุณสมบัติของรูปสามเหลี่ยมที่คล้ายกันดังนี้  

WD/(WD+wd)=FOV/L

เมื่อเลนส์เป็นเลนส์เทเลนตริก ตำแหน่งการติดตั้งของแหล่งกำเนิดแสงที่เลือกจำเป็นต้องมั่นใจเพียงว่า  L > FOV.

สรุป

ในระบบตรวจสอบด้วยทัศน์เครื่องจักร (Machine Vision) การเลือกแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการมองเห็นนับเป็นส่วนสำคัญ การเลือกแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมจะช่วยให้ระบบการมองเห็นทั้งระบบดำเนินการได้อย่างราบรื่น รวมถึงสามารถประหยัดต้นทุนและพื้นที่ติดตั้งของเครื่องจักรกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ