Sistemas de iluminación para aplicaciones de visión artificial
La correcta elección del sistema de iluminación es una de las partes fundamentales de un sistema de visión y de ello depende en gran parte el éxito de la aplicación.
Las cámaras de visión artificial capturan la luz reflejada en los objetos, obteniendo información lumínica para su posterior análisis. El propósito de la iluminación utilizada en las aplicaciones de visión es controlar la forma en que la cámara ve el objeto.
“No puede analizarse aquello que no puede verse”.
Los objetivos principales de la iluminación son:
- Optimizar el contraste.
- Normalizar cualquier variación de la iluminación ambiente.
- Simplificar el proceso de tratamiento posterior de la imagen (si se utilizan filtros por software el tiempo de procesado se ve incrementado).
La luz se refleja de forma distinta si se ilumina una placa metálica, un objeto ovalado o una caja de cartón, por ello es necesario realizar un estudio personalizado de la iluminación óptima para cada aplicación.
Las siguientes imágenes muestran claramente los efectos de la luz sobre las imágenes adquiridas. En la primera imagen debido a los intensos brillos sería imposible por ejemplo detectar defectos de impresión, realizar una lectura OCR, etc. En la segunda imagen se han conseguido eliminar todos los brillos, gracias a la utilización de una fuente de luz polarizada, facilitando el procesado de la imagen.
Consideraciones para tener en cuenta en la elección de la iluminación en una aplicación de visión artificial
- ¿La aplicación es en color o monocromo?
- ¿Es de alta velocidad o no?
- ¿Cuál es el campo de visión a iluminar?
- ¿El objeto presenta superficies con reflejos?
- Qué fondo presenta la aplicación: ¿color, geometría?
- ¿Cuál es la característica para resaltar?
- ¿Qué duración debe tener el sistema de iluminación?
- ¿Qué requisitos mecánicos, ambientales, etc. deben considerarse?
Las respuestas a estas preguntas son necesarias para la correcta elección de la iluminación. También deben tenerse en cuenta aspectos tales como:
- Intensidad de luz necesaria
- Longitud de onda adecuada
- Superficie para iluminar
- Reflectividad del objeto
- Color del objeto
- Espacio disponible
- Tipo de cámara utilizada
Tipos de fuentes de luz y características de los materiales
La fuente de luz puede ser mediante fibra óptica, fluorescente, led, difusa, láser, halógena, incandescente, fluorescente, ultravioleta, entre otros. Además, existen luces de diferentes colores que emiten diferentes longitudes de onda y permiten adaptarse a diferentes tipos de materiales, objetos de diferentes colores, etc.
Características de los materiales:
- Materiales especulares: Los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.
- Materiales difusos: Los ángulos de reflexión van en todos los sentidos.
- Materiales reflectores: Los rayos incidentes y reflejados tienen igual dirección, pero diferente sentido.
- Materiales (no) selectivos al espectro: Los rayos de algunas (todas) las longitudes de onda se reflejan.
La iluminación es un aspecto fundamental para considerar en un sistema de visión artificial. Si se utiliza una iluminación adecuada, el sistema de visión resolverá la aplicación más fácilmente.
Existen diferentes técnicas de iluminación para las aplicaciones de visión artificial, las más comunes son:
Luz frontal
La cámara se posiciona mirando al objeto en la misma dirección que la luz. Esto reduce las sombras, suaviza las texturas y minimiza la influencia de rayas, polvo e imperfecciones que pueda tener el objeto. La cámara recibe la luz reflejada del objeto. Este tipo de iluminación se consigue mediante anillos de luz.
Aplicaciones: Indicada para superficies con pocos reflejos: papel, tela… para la detección de marcas de diferentes colores, caracteres y detección de todo lo que suponga un cambio de color en prácticamente cualquier superficie.
Ventajas: Elimina sombras, se puede utilizar a grandes distancias cámara/objeto.
Inconvenientes: Intensos reflejos sobre superficies reflectantes.
Luz lateral
La cámara se posiciona mirando al objeto mientras que la dirección de la luz es lateral al objeto. El grado de inclinación del elemento emisor de luz vendrá determinado por el grado deseado de resalte de los relieves.
Aplicaciones: Indicada para resaltar bordes, rayas y fisuras en una dirección determinada.
Ventajas: Resalta los relieves por pequeños que sean de los objetos, resultando una sombra muy definida.
Inconvenientes: Con ángulos pequeños respecto a la horizontal, la luz producirá sombras en todos los relieves y en el contorno de la pieza.
Iluminación por campo oscuro (Darkfield)
La luz es emitida lateralmente con un ángulo muy pequeño mediante un anillo en todas las direcciones, rebotando en los defectos del objeto a analizar e incidiendo en la cámara.
Aplicaciones: Indicada para resaltar incrustaciones y códigos alfanuméricos con poco contraste en metal sobre metal o gris sobre gris. Muy utilizada en la verificación de grabados tipo láser o troquel.
Ventajas: Destaca los detalles en superficies con muy poco contraste.
Inconvenientes: No es recomendable en superficies que absorban la luz.
Iluminación por contraste (Backlight)
La luz es emitida desde la parte posterior del objeto quedando este entre la fuente de iluminación y la cámara. La iluminación tiene que ser uniforme en toda la superficie del objeto. La cámara inspecciona la silueta del objeto por contraste pudiendo realizar mediciones de alta precisión.
Aplicaciones: Indicada para la inspección de la silueta del objeto. Utilizada también en materiales translúcidos o transparentes para detectar manchas, rayas, grietas, etc.
Ventajas: Permite inspecciones de siluetas con mediciones muy precisas y de impurezas en los objetos transparentes o translúcidos.
Inconvenientes: No permite reconocer los detalles superficiales del objeto, códigos, inscripciones, etc.
Iluminación Axial difusa
La luz es emitida lateralmente siendo reflejada 90º por un espejo semitransparente que desvía los haces de luz en la misma dirección que el eje de la cámara, consiguiendo una luz difusa homogénea. En superficies planas reflectantes si no se utiliza este método de iluminación, la cámara vería reflejado su propio objetivo.
Aplicaciones: Indicada para la inspección superficies planas reflectantes, como PCB, etiquetas reflectantes, inspección de impresión sobre aluminio o cavidades profundas.
Ventajas: Permite inspecciones de códigos en materiales altamente reflectantes.
Inconvenientes: No permite reconocer relieves en el objeto.
Iluminación difusa Tipo Domo
La luz es emitida dentro de una cúpula esférica resultando una luz difusa desde todas direcciones, eliminando sombras y reflejos, suavizando texturas y minimizando la influencia de rayas, polvo, relieves y curvaturas que pueda tener el objeto inspeccionado. A este tipo de iluminación también se le denomina iluminación de día nublado por no producir ningún tipo de sombra al objeto.
Aplicaciones: Indicada para la inspección de superficies tales como: instrumental médico, espejos, compact disk, latas, etc.
Ventajas: Eliminación de sombras y minimización de arrugas, polvo y relieves.
Inconvenientes: Coste elevado.
Iluminación por láser
La iluminación mediante láser o luz estructurada se utiliza normalmente para resaltar o determinar una tercera dimensión de un objeto.
Se trata de colocar la fuente de luz láser en un ángulo conocido con respecto al objeto a iluminar y a la cámara, de forma que viendo la distorsión de la luz pueda interpretarse la profundidad de los objetos a medir. También se utiliza para indicar el trazado por el que se debe ajustar un proceso, por ejemplo, en aplicaciones de corte.
Para realizar una inspección en 3D de un objeto, se proyecta una línea de luz. Las distorsiones en la línea se traducen en variaciones en la altura. De aquí se puede desprender una forma en 3D detectando la falta o exceso de material o llegar a hacer una reconstrucción en tres dimensiones del objeto.
Aplicaciones: Ajuste de procesos de corte, control de profundidad de objetos, etc.
Ventajas: No le influye la iluminación externa.
Inconvenientes: Coste elevado. Si se utilizan lentes cilíndricas para conseguir una línea o un patrón concreto, el láser no tiene la misma intensidad lumínica a lo largo del patrón.
Se recomienda una evaluación adicional antes de realizar selecciones de iluminación definitivas. Es necesario que un experto en visión de Bcnvision evalúe sus requisitos de forma más detallada. Si tiene dudas nosotros podemos ayudarle.
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