بینایی ماشین چیست و چگونه می‌تواند کمک کند؟
هفت کاربرد معمول بینایی ماشین در تولید
۱۶ بهمن ۱۳۹۹
کاربرد بینایی ماشین در صنعت
۰۱ اسفند ۱۳۹۹
فهم اینکه بینایی ماشین چگونه کار می‌کند؛ می‌تواند به شما کمک کند تا متوجه شوید که آیا بینایی ماشین می‌تواند مشکل خاصی در فرآیند یا تولید شما را بر طرف نماید و یا خیر
مردم اغلب درباره بینایی ماشین و کارهایی که این فناوری نمی‌تواند و می‌تواند برای خط و یا فرآیند تولید انجام دهد؛ گیج می‌شوند. فهم اینکه بینایی ماشین چطور کار می‌کند؛ می‌تواند شما را درباره اینکه آیا این فناوری می‌تواند مشکلی از شما حل نماید یا خیر راهنمایی نماید.
فهرست محتوا
بینایی ماشین دقیقاً به چه معناست؟ و چطور کار می‌کند؟
بینایی ماشین استفاده از یک یا چند دوربین برای تشخیص و تجزیه‌وتحلیل اشیا به‌صورت خودکار، معمولاً در محیط تولید و صنعتی است. داده دریافت شده می‌تواند برای کنترل فرآیند یا فعالیت تولیدی مورد استفاده قرار بگیرد. کاربرد معمول می‌تواند بر روی خط مونتاژ پس از مونتاژ بر روی قطعه‌ای خاص باشد. دوربین برای دریافت تصویر تحریک می‌شود و فرآیند پردازش شروع خواهد شد. دوربین صنعتی می‌تواند برای بررسی موقعیت، رنگ، اندازه، شکل و یا حضور و عدم حضور شی، برنامه‌نویسی شده باشد. سامانه همچنین می‌تواند برای کاربردی خاص مثل خواندن بارکد استاندارد یا دوبعدی (ماتریس) یا حتی خواندن متون مورد استفاده قرار بگیرد.
بعدازاینکه محصول مورد بازرسی قرار گرفت؛ از سیگنالی برای مشخص کردن نحوه عملکرد خروجی صادر می‌شود. قطعه ممکن است به کانوایر دیگری انتقال داده شود یا برای عملیات مونتاژ بیشتر فرستاده شود و نتایج بازرسی در سیستم، ره‌گیری شود. درهرصورت سامانه‌های بینایی ماشین قادرند بسیار فراتر از داده‌های ساده‌ای مانند حضور/عدم حضور ارائه دهند.
کاربردهای معمول بینایی ماشین عبارت‌اند از:
- تضمین کیفیت
- هدایت ماشین/روبات
- آزمایش و کالیبراسیون
- کنترل فرآیند بلادرنگ
- جمع‌آوری داده
- مانیتورینگ ماشین
- دسته‌بندی/شمارش
بسیاری از تولیدکنندگان از بینایی ماشین خودکار به‌جای بازرسان انسانی استفاده می‌کنند؛ چراکه سامانه بینایی ماشین کارهای تکراری را بهتر از انسان‌ها انجام می‌دهند. سامانه‌ها سریع‌تر، هدفمند و پیوسته کار می‌کنند. سامانه‌های بینایی ماشین قادر هستند که صدها یا حتی هزاران قطعه را در دقیقه بازرسی کنند. همچنین بازرسی‌های مطمئن‌تر و پایدارتر را نسبت به انسان انجام می‌دهند.
تولیدکنندگان به‌وسیله کاهش عیوب، افزایش تولید، سازگاری با استانداردها و ره‌گیری قطعات توسط بینایی ماشین قادر هستند که سود خود را افزایش دهند و از هزینه‌ها بکاهند.
مقیاسی برای بینایی ماشین
سنسور چشمی دیجیتال یکی از پایه‌ای‌ترین سنسورها در صنعت اتوماسیون است. دلیل آنکه ما این سنسور را دیجیتال می‌نامیم؛ این است که تنها دارای دو حالت: روشن و خاموش است.
ایده کارکرد سنسور چشمی دیجیتال این‌گونه است که پرتویی از نور تابانده می‌شود و درصورتی‌که نور از جسم مقابل بازتاب شود؛ تشخیص داده می‌شود. اگر قطعه وجود نداشته باشد؛ نوری نیز به دریافت کننده سنسور نوری بازتاب نمی‌شود. سیگنال الکتریکی معمولاً ۲۴ ولت به دریافت‌کننده متصل شده است. اگر قطعه‌ای حاضر باشد، سیگنال روشن می‌شود و می‌توان از آن در سیستم کنترلی استفاده کرد و موجب اتفاق‌های بعدی گردید. اگر قطعه کنار زده شود، سیگنال دوباره به حالت خاموش برمی‌گردد.
سنسور چشمی نوری همچنین می‌تواند، آنالوگ باشد. علاوه بر دو حالت روشن و خاموش این نوع از سنسور می‌تواند مشخص کند که چه میزان از نور به دریافت‌کننده بازتاب شده است. در مورد چشمی نشان داده‌شده در شکل ۲، سنسور می‌تواند ۲۵۶ مقدار از ۰ (نشان‌دهنده عدم وجود نور، تاریک یا سیاه) تا ۲۵۵ (نشان‌دهنده نور زیاد، سفید) باشد. چشمی سمت چپ مقدار ۷۶ (خاکستری تیره) را نشان می‌دهد. این مقدار ۳۰درصد از بیشینه مقدار ۲۵۵ است. اگر جسم روشن‌تری در جلوی سنسور قرار داده شود، سنسور مقدار بالاتری نشان خواهد داد. اگر سنسور مقدار ۲۱۷ را نشان دهد که نمایش‌دهنده ۸۵ درصد از بازه کلی ۲۵۵ است. نشان‌دهنده خاکستری بسیار روشن‌تر خواهد بود.
مثالی برای یک سنسور
تصور کنید که هزاران چشمی آنالوگ کوچک بتوانند در کنار یکدیگر در مساحتی مستطیلی یا مربعی به‌صورت ماتریسی قرار گیرند و به‌طرف جسمی قرار داده شوند. این کار می‌تواند تصویری از جسم به‌صورت سیاه‌وسفید مبتنی بر بازتاب نور ایجاد کند.
هر نقطه در این تصویر به‌عنوان “پیکسل” شناخته می‌شود. البته که هزاران سنسور چشمی برای ایجاد تصویر استفاده‌نشده است. در عوض لنز، وظیفه تمرکز تصویر بر روی ماتریس سالید استیت حساس به نور را بر عهده دارد. سنسور CCD یا CMOS آرایه‌ای از حسگر سالید استیت حساس به نور است که به‌صورت ماتریسی مورداستفاده قرارگرفته است. سنسورهای منفرد در ماتریس همان پیکسل‌ها هستند.
تصاویر موجود در شکل ۳ تنها قسمت کوچکی از تصویر دریافت شده توسط دوربین هستند. محدوده به‌عنوان “منطقه مورد نظر” برای بازرسی خاص موردتوجه قرار می‌گیرد.
بینایی ماشین می‌تواند از پیکسل‌های حساس به رنگ استفاده کند و اغلب از آرایه‌های پیکسلی بزرگ‌تر استفاده می‌شود. ابزارهای نرم‌افزاری برای دریافت تصویر به‌منظور تشخیص ابعاد، موقعیت لبه‌ها، حرکت و مختصات مرتبط اجزا نسبت به یکدیگر نسبت به هم مورداستفاده قرار می‌گیرد.
چهار جز اصلی سامانه بینایی
لنزها و لایتینگ، سنسور تصویر یا دوربین، پردازنده و روش ارتباط خواه به‌صورت اتصال فیزیکی ورودی/خروجی یا دیگر راه‌های ارتباطی، چهار جز اصلی سامانه بینایی را تشکیل می‌دهند.
لنز، تصویر را دریافت می‌کند و آن را به‌صورت پرتوهایی از نور به سنسور ارائه می‌کند. برای بهینه‌سازی سامانه بینایی، دوربین نیاز دارد که به لنز مناسب تجهیز شود. اگرچه انواع مختلف لنز موجود است؛ اما بسیاری از کاربردهای بینایی ماشین از لنزی با فاصله کانونی ثابت استفاده می‌کنند.
سه فاکتور مهم در فرآیند انتخاب:
۱.محدوده دید
۲.فاصله کاری
۳.اندازه سنسور دوربین
روش‌های متعددی برای اعمال نورپردازی به تصویر وجود دارد. جهت نور، شدت نور، رنگ یا طول‌موج در مقایسه با جسم هدف، تمامی از فاکتورهای مهمی است که همگی باید هنگام طراحی محیط بینایی ماشین مورد توجه قرار گرفته شود. درحالی‌که نورپردازی بخش مهمی از دریافت تصویر خوب است. دو فاکتور دیگر بر شدت در معرض قرار گرفتن نور تأثیر می‌گذارند. لنز دارای متغیری است که روزنه نامیده می‌شود. روزنه می‌تواند باز یا بسته باشد که به معنای دریافت نور بیشتر و کمتر است. این امر به همراه زمان اکسپوژر، حجم ورودی نور (تصویر) به روی آرایه پیکسل‌ها را مشخص می‌کند. در بینایی ماشین، شاتر به‌صورت الکترونیکی در عرض چند میلی‌ثانیه کنترل می‌شود.
بعدازاینکه تصویر گرفته شد. ابزارهای نرم‌افزاری برای چندین تجزیه‌وتحلیل اولیه (پیش‌پردازش) اعمال می‌شود. دیگر ابزارها برای تشخیص ویژگی‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. در مرحله پیش‌پردازش، تأثیرات می‌تواند بر تیز کردن لبه‌های تصویر، افزایش کانترست یا پر کردن فضاها مورد استفاده قرار گیرد.
هدف بینایی ماشین
فهرست پیرو ابزارهای معمول برای دریافت اطلاعات از هدف را ارائه می‌کند:
شمارش پیکسل: شمارش پیکسل‌های تاریک یا روشن در قطعه
لبه یابی: پیدا کردن لبه اشیا
ابعاد برداری: اندازه‌گیری ابعاد جسم ( مانند پیکسل، اینچ یا میلی‌متر)
تشخیص الگو یا تطبیق الگو: پیدا کردن، تطبیق، و یا شمارش الگوی خاص. این مورد می‌تواند شامل موقعیت‌یابی جسمی باشد که ممکن است چرخیده باشد و یا به‌صورت جزئی با جسم دیگر پوشیده شده باشد و یا حتی با اندازه متفاوت باشد.
تشخیص کاراکتر (OCR): خواندن خودکار متون مانند شماره‌سریال
بارکد، دیتا ماتریس و خواندن بارکد دوبعدی: دریافت داده‌ها که درون استانداردهای مختلف بارکد هستند.
تشخیص و استخراج بلاب: بازرسی تصویر برای بلاب های مجزا از پیکسل‌های متصل‌به‌هم ( مانند حفره‌ای مشکی در جسم خاکستری)
تجزیه‌وتحلیل رنگ: تشخیص قطعات، محصولات و مواردی مثل رنگ، کیفیت و ایزوله کردن ویژگی‌ها با استفاده از رنگ
هدف دریافت داده در بازرسی، اغلب مقایسه با مقادیر اولیه برای معین کردن نتایج “قبول یا مردود” یا “برو یا نرو” است. برای مثال با صحه سنجی کد یا بارکد، مقدار خوانده‌شده با مقادیر ذخیره‌شده مورد مقایسه قرار می‌گیرد. برای ابعاد برداری، اندازه گرفته‌شده با مقدار معین با تلورانس معین‌شده مورد مقایسه قرار می‌گیرد.
برای صحه سنجی کدهای عددی و الفبایی مقدار متن OCR در مقایسه با مقدار مناسب قرار می‌گیرد.
ارتباطات بینایی ماشین
پس از استخراج اطلاعات با استفاده از پردازنده و ابزار نرم‌افزاری، داده می‌تواند توسط سامانه کنترلی از طرق پروتکل‌های مختلف ارتباط صنعتی مورداستفاده قرار بگیرد. EtherNet/IP، پروفینت و مدباس اغلب توسط بیشتر سامانه‌های بینایی ماشین مورداستفاده قرار می‌گیرند. استفاده از سریال RS232 و RS485 نیز معمول است. ورودی/خروجی دیجیتال اغلب برای گزارش سیستم به‌منظور تحریک و گزارش ساده نتیجه است.
استانداردهای ارتباطی بینایی ماشین نیز موجود است.
فهم فیزیک و قابلیت‌های سامانه بینایی ماشین می‌تواند مشخص کند که کدام سامانه مبتنی بر دوربین صنعتی برای کاربرد شما مناسب است. به‌صورت عمومی هر آنچه انسان می‌تواند ببیند؛ دوربین صنعتی نیز می‌تواند ببیند (گاهی کمتر و بیشتر). با دانش سامانه‌ها، نورپردازی و فناوری‌های مختلف می‌توان زمان بسیاری را ذخیره کرد و پول زیادی نیز صرفه‌جویی می‌شود.
کلمات کلیدی:
اصول بینایی ماشین
اجزا سامانه بینایی و فاکتورهایی برای انتخاب
اجزا و ارتباط‌ها برای بینایی ماشین
