Light Source - Nguồn sáng trong xử lý ảnh Machine Vision

Light Source - Nguồn sáng quan trọng như thế nào trong xử lý ảnh công nghiệp

Ánh sáng là một trong những thành phần quan trọng nhất của machine vision. Việc lựa chọn đèn chiếu sáng thích hợp cho một ứng dụng cụ thể là rất quan trọng để đảm bảo rằng machine vision thực hiện các nhiệm vụ của nó một cách nhất quán và đáng tin cậy. Nguyên nhân chính là do nếu chiếu sáng không phù hợp sẽ dẫn đến hình ảnh gửi về phần mềm không được như mong muốn. Đây là lý do tại sao việc lựa chọn các đèn chiếu sáng chất lượng có tầm quan trọng hàng đầu: Việc ánh sáng ko đảo bảo sẽ làm phần mềm phán định thiếu chính xác.

Hình ảnh so sánh hai loại đèn khác nhau

Để đưa ra lựa chọn thích hợp nhất, người ta phải xem xét nhiều thông số khác nhau, bao gồm:

Loại nguồn sáng:

• Hình dạng của đèn
• Loại nguồn sáng
• Bước sóng ánh sáng

Đặc tính bề mặt của vật liệu được kiểm tra hoặc đo lường (ví dụ: màu sắc, độ phản xạ):

• Hình dạng vật phẩm
• Tốc độ di chuyển của vật thể (trên bang tải hoặc kiểm tra tĩnh)
• Vật liệu (inox, sắt, nhôm, kính…)
• Môi trường xung quanh
• Giá thành

Các loại đèn theo hình dạng và màu sắc khác nhau

Vì phải cân nhắc nhiều thông số nên việc lựa chọn có thể khó khăn và sau đây là 1 vài lời khuyên cho các bạn:

• Thực hiện thử nghiệm với các loại ánh sáng khác nhau để biết được các đặc tính. Mặt khác, có một số quy tắc đơn giản và thực hiện tốt có thể giúp chọn đèn phù hợp và cải thiện chất lượng hình ảnh.
• Đối với mọi ứng dụng, các mục tiêu chính là:
• Tăng cường độ tương phản của các đặc điểm cần được kiểm tra hoặc đo lường
• Giảm thiểu sự tương phản của các chi tiết không liên quan
• Loại bỏ các biến thể không mong muốn do: ánh sáng môi trường xung quanh, sự khác biệt giữa các chi tiết không liên quan đến việc kiểm tra

Ánh sáng trong machine vision

Trong machine vision, ánh sáng chủ yếu được đặc trưng bởi bước sóng của nó, thường được biểu thị bằng nm (nanomet). Về cơ bản, ánh sáng là bức xạ điện từ trong một phần nhất định của phổ điện từ: nó có thể là ánh sáng đơn sắc (có nghĩa là nó được đặc trưng bởi dải bước sóng hẹp, tức là với một màu duy nhất) hoặc trắng (nằm trên quang phổ nhìn thấy được, tức là nó chứa tất cả các màu).

Quang phổ điện từ

Ánh sáng mắt người nhìn thấy có bước sóng trong khoảng 400-700 nm, giữa tia hồng ngoại (có bước sóng dài) và tia cực tím (có bước sóng ngắn): các ứng dụng đặc biệt có thể yêu cầu ánh sáng IR hoặc tia UV thay vì ánh sáng nhìn thấy. Về cơ bản, ánh sáng tương tác với vật liệu bằng cách

• Phản xạ
• Hấp thụ
• Xuyên qua

Ngoài ra, khi ánh sáng truyền qua các môi trường khác nhau, nó sẽ khúc xạ, tức là nó thay đổi hướng. Lượng khúc xạ tỉ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng, tia cực tím khúc xạ nhiều hơn tia hồng ngoại. Điều này có nghĩa là ánh sáng có bước sóng ngắn bị tán xạ dễ dàng hơn ánh sáng có bước sóng dài khi chiếu vào bề mặt nói chung, phù hợp hơn cho các ứng dụng kiểm tra bề mặt. Trên thực tế, nếu chúng ta coi bước sóng là thông số duy nhất được xem xét, thì ánh sáng xanh được khuyên dùng cho các ứng dụng như kiểm tra vết xước. trong khi các bước sóng dài hơn như ánh sáng đỏ phù hợp hơn để tăng cường độ bóng của vật liệu trong suốt.

Tương tác của ánh sáng với vật chất: phản xạ, hấp phụ và xuyên qua.

Kỹ thuật chiếu sáng

Làm thế nào để xác định độ chiếu sáng tốt nhất trong xử lý ảnh công nghiệp hay machine vision? Trên thực tế, để tự tin chọn đúng đèn cấp sáng cho hệ thống của mình bạn nên đánh giá một số khía cạnh như sau:

Mục đích của ứng dụng

Đây là điểm đầu tiên cần phải rõ ràng. Nếu chúng ta muốn kiểm tra bề mặt của một đối tượng, để tìm các khuyết tật hoặc các đặc điểm như ký tự in, thì cần phải chiếu sáng phía trước - tức là ánh sáng đến từ phía camera. Việc chọn hướng ánh sáng thích hợp phải chú ý các đặc tính quang học khác như ánh sáng khuếch tán hoặc ánh sáng trực tiếp phụ thuộc vào các đặc điểm bề mặt cụ thể cần được làm nổi bật. Nếu chúng ta dự định đo đường kính, chiều dài hoặc cần xác định vị trí lỗ xuyên qua thì lựa chọn tốt nhất là cấp sáng từ phía sau vật thể, tức là ánh sáng bị chặn bởi vật thể đến camera. Còn khi mục đích không rõ ràng hoặc gặp tình huống phức tạp như vật liệu trong suốt thì phải tính đến giải pháp cấp sáng hỗn hợp.

Các góc của ánh sáng

Góc chiếu sáng

Khi chúng ta đã xác định được hướng chiếu sáng phía trước hay phía sau phù hợp hơn, thì chúng ta phải quan tâm tới hai nhóm sau: bright field (chiếu sáng trường sáng) và dark field (chiếu sáng trường tối).

Bright field, chiếu sáng phía trước

Trong  bright field, ánh sáng chiếu vào phía trước, ánh sáng phản xạ mặt phẳng được lens thu lại. Đây là tình huống phổ biến nhất, trong đó các đặc điểm không bằng phẳng (ví dụ như khuyết tật, vết xước, v.v.) có thể tán xạ ánh sáng ra bên ngoài góc của ống kính, hiển thị các đặc điểm tối trên nền sáng (xem ảnh).

Bright field, ánh sáng phía trước có thể được tạo ra bằng đèn LED barlights hoặc ringlights, tùy thuộc vào tính đối xứng của hệ thống. Trong cả hai trường hợp, ánh sáng LED có thể truyền trực tiếp hoặc khuếch tán (đôi khi cách này thích hợp hơn để tránh chiếu sáng không đồng đều trên các bề mặt phản chiếu).

Bright field và chiếu sáng phía trước

Mô hình Ringlight (a), mô hình barlight (b)

Hình ảnh 1 logo được chụp bằng ánh sáng phía trước dùng 1 đèn Led barlight

Hình ảnh đồng xu được chụp bằng ánh sáng phía trước dùng 1 đèn Led Ringlight

Dark field, Chiếu sáng phía trước

Trong dark field, chiếu sáng phía trước, ánh sáng phản xạ không được ống kính thu lại và các vị trí của bề mặt không phẳng sẽ sáng hơn trên nền tối. hiệu ứng này thường được tái tạo bằng đèn ringlight góc thấp.

Sơ đồ chiếu sáng góc thấp (dark field) phía trước

Mô hình đèn ringlight góc thấp

Hình ảnh 1 logo chụp bằng 1 đèn Led Ringlight góc thấp

Hình ảnh 1 đồng xu được chụp bằng 1 đèn Led Ringlight góc thấp

Bright field, ánh sáng backlight

Trong bright field, với đèn backlight ánh sáng bị che khuất hoặc xuyên qua một phần đối với vật liệu gần trong suốt.

Trong trường hợp đầu tiên, chúng ta sẽ nhìn thấy đường viền của đối tượng màu đen trên nền trắng

Trong trường hợp thứ hai, các đặc điểm không phẳng của vật thể trong suốt hiển thị tối trên nền trắng

Công nghệ chiếu sáng bằng đèn backlight được sử dụng rất nhiều và sử dụng đèn telecentric cho các phép đo cần độ chính xác cao

Sơ đồ ánh sáng backlight, bright field

Mô hình đèn backlght với nguồn sáng chiếu ngược

Mô hình đèn backlght với nguồn sáng chiếu 2 bên cạnh

Hình ảnh 1 nắp chai được chụp với đèn backlight

Mô hình đèn Telecentric backlight

Hình ảnh 1 sản phẩm được chụp bằn đèn telecentric backlight

Dark field, ánh sáng backlight

Trong dark field, ánh sáng backlight, chỉ ánh sáng truyền qua mẫu và bị tán xạ bởi các đặc điểm không phẳng sẽ được thu thập, tăng cường các đặc điểm như sáng trên nền tối. Điều này có được bằng đèn chuông hoặc đèn bar đặt phía sau mẫu trong suốt.

Sơ đồ ánh sáng backlight, dark field

Coaxial illumination (ánh sáng đồng tâm)

Coaxial illumination là khi ánh sáng phía trước chiếu vào bề mặt vật thể vuông góc với mặt phẳng vật thể. Để thiết lập hệ thống chiếu sáng này, có thể sử dụng hộp đồng trục để sử dụng kết hợp với bất kỳ loại thấu kính nào (fixed focal, macro hoặc telecentric) hoặc telecentric lenses tích hợp với đèn . Sự khác biệt nằm ở mức độ chuẩn trực dẫn đến lượng tương phản có thể đạt được để tìm kiếm các khuyết tật trên các bề mặt phản xạ cao.

Mô hình chiếu sáng Coaxial tiêu chuẩn

Hình ảnh logo được chụp bằng đèn Coaxial

Đèn Dome

Nếu một vật thể có dạng hình học cong phức tạp phải được kiểm tra để phát hiện các đặc điểm bề mặt cụ thể, chiếu sáng phía trước đến từ các góc khác nhau là lựa chọn thích hợp nhất để loại bỏ phản xạ nhưng có thể dẫn đến chiếu sáng không đồng đều. Đèn Dome là giải pháp lý tưởng cho loại ứng dụng này vì chúng được thiết kế để cung cấp ánh sáng đến từ tất cả các hướng.

Mô hình đèn Dome

Hình ảnh đồng xu được chụp bằng đèn Dome

Các giải pháp tích hợp ánh sáng

Đôi khi để kiểm tra các hình dạng vật thể rất phức tạp, cần phải kết hợp các loại đèn chiếu sáng khác nhau để làm lộ ra các khuyết tật bề mặt một cách hiệu quả.

Mô hình kết hợp đèn Dome và rightlight góc thấp

Đèn Telecentric

Đèn Telecentric cần thiết trong nhiều ứng dụng bao gồm:

• Kiểm tra và phân loại tốc độ cao: trên thực tế, khi được kết hợp với telecentric lens thời gian phơi sáng cực ngắn

• Phát hiện cạnh chính xác và phân tích khuyết tật

• Đo các kích thước vật thể hình trụ phản chiếu: đèn backlight có thể tạo ra phản xạ không mong muốn từ các cạnh của các vật thể tròn sáng bóng, làm cho chúng trông nhỏ hơn so với thực tế và dẫn đến các phép đo không chính xác. Vì các tia đồng trục thường ít bị phản xạ hơn nhiều, đèn elecentric có thể loại bỏ hiệu quả “hiệu ứng đường viền” này, đảm bảo các kết quả đọc chính xác và nhất quán.

Việc sử dụng ánh sáng song song kết hợp với telecentric lens làm tăng độ sâu trường ảnh lên + 20 đến 30% (tuy nhiên, điều này cũng phụ thuộc vào các yếu tố khác như loại thấu kính, bước sóng ánh sáng và kích thước pixel size của cảm biến hình ảnh) .

Ngoài ra, nhờ sự kết hợp tuyệt vời với đèn mà khoảng cách giữa vật thể và nguồn sáng có thể được tăng lên khi cần thiết mà không ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh.

Ánh sáng song song là lựa chọn tốt nhất nếu bạn cần kiểm tra các vật thể có các cạnh cong; vì lý do này, kỹ thuật chiếu sáng này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường cho trục, ống, vít, lò xo, vòng chữ o và các mẫu tương tự.

Hình ảnh cổ chai được chụp bằng nguồn sáng backlight với tia sáng phân tán và kết hợp với đèn Telecentric

Kết luận: Đèn cấp sáng trong xử lý ảnh công nghiệp cực kỳ quan trọng và không thể thiếu, nếu bạn chọn đúng loại đèn cho ứng dụng của mình thì hình ảnh thu được sẽ dễ sử lý hơn và thời gian hoàn thành dự án của bạn sẽ nhanh hơn.

MC&TT là nhà phân phối, cung cấp chuyên nghiệp các thiết bị, giải pháp, phần mềm phục vụ cho hệ thống thị giác máy công nghiệp đáng tin cậy, chúng tôi có kiến thức sâu rộng và nhiều năm kinh nghiệm làm việc trong lĩnh vực này.  Nếu bạn có bất cứ thắc mắc nào cần tư vấn về Lens, hay liên lạc ngay với chúng tôi để được tư vấn giải đáp !