Sistemi di visione

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La visione artificiale è una tecnologia che sostituisce la visione umana con telecamere digitali e tecniche di elaborazione di immagini, utilizzata in una varietà di settori industriali per automatizzare o velocizzare la produzione, per migliorare la qualità del prodotto e per aumentare la soddisfazione del cliente.

I sistemi di visione artificiale, noti anche come “visione industriale” o semplicemente “sistemi di visione”, operano sia nell’ambito dei processi di produzione industriale (controllo di robot, rilevamento di difetti o misurazioni) sia nei processi non manifatturieri (come ad esempio in ambito biomedico, videosorveglianza e controllo del traffico).

La configurazione di un sistema di visione è costituita principalmente di telecamere capaci di catturare, interpretare e segnalare informazioni, grazie a un sistema di elaborazione e controllo che effettua il confronto con requisiti e soglie o tolleranze predefinite e offre la possibilità di intraprendere decisioni ed azioni in modo automatico.

La tecnologia della visione artificiale, nata negli anni 1940-1950 in ambito militare, di fatto ha iniziato a essere utilizzabile industrialmente a partire dagli anni ’80, quando questi sistemi hanno iniziato a beneficiare di una rapida evoluzione grazie soprattutto allo sviluppo dei microprocessori, al miglioramento della tecnologia dei sensori, alla crescente domanda di prodotti di qualità ed anche all’aumento del costo del lavoro.

Negli anni successivi, in particolare dal 2000, questi sistemi sono diventati sempre più potenti, di dimensioni ridotte ed economici e allo stesso tempo sempre più facili da usare. I recenti progressi nella tecnologia della visione artificiale, come ad esempio le smart camera e i sistemi di visione embedded, hanno aumentato gli ambiti di diffusione dei sistemi di visione su una varietà di applicazioni nei settori industriali e non industriali (basti pensare solo alla tecnologia Kinect applicata nel settore dei videogiochi domestici).

Funzionamento e fattori critici

Fig. 1 – Schema di principio di un sistema di visione

Un sistema di visione opera secondo cicli composti da quattro passi operativi: acquisizione immagine, analisi, raccolta e presentazione risultati, esecuzione azioni (Fig. 1).

Vengono coinvolte diverse componenti: l’oggetto da esaminare, il sistema di illuminazione, le telecamere con le parti ottiche, il sistema di acquisizione/digitalizzazione ed elaborazione dell’immagine, e le interfacce (uomo-macchina e con l’ambiente esterno).

Le parti da esaminare vengono posizionate, solitamente tramite sistemi di movimentazione automatica a nastro o robotici, di fronte a una o più telecamere ed illuminati in modo appropriato, in modo da evidenziare, nel modo migliore possibile, le caratteristiche da ispezionare.

Fig. 2 – Componenti e flow chart

Il sistema ottico forma un’immagine sul sensore della telecamera che produce un segnale elettrico in uscita, digitalizzato e memorizzato (Fig. 2). L’immagine digitale viene quindi elaborata con opportuni software caratterizzati da particolari algoritmi di calcolo e di analisi che mettono in luce e identificano le caratteristiche dell’immagine che devono essere valutata (contorni, spigoli, colore, altezza, forme, strutture e così via). In funzione dei risultati dell’elaborazione, il sistema consente di intraprendere azioni riguardo alla destinazione dell’oggetto, ad esempio scartare l’oggetto o semplicemente effettuare un data logging per la tracciatura e fornire le informazioni opportune al resto del sistema produttivo.

Nei sistemi di visione, le ottiche e l’illuminazione rappresentano punti chiave. Il fattore più importante è il contrasto: è critico illuminare gli oggetti in modo che vengano amplificate le caratteristiche di interesse. In alcuni casi il sistema di illuminazione è incorporato nella telecamera, in altri è esterno alla stessa. Una buona immagine per un sistema di visione non equivale necessariamente a qualcosa di piacevole per l’occhio umano. Ad esempio esistono casi in cui conviene sottoesporre o sovraesporre un oggetto per mettere in maggiore risalto le caratteristiche che si vogliono esaminare.

Altri fattori critici sono la messa a fuoco dell’immagine, indispensabile per realizzare una soluzione affidabile, e la risoluzione, definita dal numero di pixel. Una bassa risoluzione consente di effettuare analisi veloci ma non è in grado di mostrare i dettagli che può offrire una immagine ad alta risoluzione.

Fig. 3 – Telecamera e campo di visione

Anche la distanza tra il sistema ottico e l’oggetto è molto importante; se è troppo corta, il campo di visione (Fov, field of view) può rivelarsi troppo ristretto. L’ampiezza del campo di visione è determinata dalla combinazione tra la lunghezza focale delle lenti e la distanza di lavoro. Tutte le telecamere hanno una distanza di lavoro minima e una massima, che variano in funzione del tipo di telecamera (Fig. 3).

Un sistema di visione spesso lavora insieme con altre apparecchiature, ad esempio un sensore fotoelettrico necessario a innescare (trigger) la telecamera, una rete che consenta la raccolta e presentazione dati e il monitoraggio da parte di un operatore di controllo, e un dispositivo che rimuova gli oggetti da scartare.

Alcune applicazioni vengono sottoposte a una visione 2D, tipicamente quando l’oggetto ha un elevato contrasto, mentre in altri casi è richiesta una visione 3D, utile per analizzare caratteristiche quali forma e altezza in presenza di basso contrasto.

La tecnologia della triangolazione laser consente di ottenere in modo rapido ed accurato informazioni tridimensionali per eseguire veloci analisi di aspetti di forma quali altezza, sezione trasversale e volume. Questa tecnologia di imaging 3D impiega un raggio laser che investe l’oggetto in movimento, mentre la telecamera riprende l’immagine in tre dimensioni collezionando i vari profili di altezza mentre l’oggetto si sposta.

Dopo aver catturato l’immagine nel migliore dei modi, un algoritmo di pre-elaborazione può ulteriormente migliorare l’immagine rimuovendo dettagli indesiderati e amplificando le caratteristiche desiderate.

A questo punto il contenuto dell’immagine viene analizzato da altri algoritmi di calcolo che estraggono le informazioni desiderate (feature-extraction), come ad esempio il riconoscimento di un oggetto di una data forma, il conteggio di elementi presenti in un oggetto, l’individuazione di un‘ansa o di un foro (e la misura del relativo diametro), la presenza o meno di aree, contorni o pattern predefiniti (e quindi la rilevazione di difetti), la misura di distanze e angoli, la lettura di codici a barre o di testi stampati correttamente (attraverso Ocr, optical character recognition).

Tendenze di mercato

Uno studio condotto da Frost & Sullivan nell’ambito dei sistemi di visione e dei relativi componenti hardware, software e ottici (“Analysis of the Global Industrial Machine Vision Market”), ha evidenziato un fatturato per questo mercato nel 2012 pari a 4,5 miliardi di dollari e ne stima una crescita entro il 2016 a un valore superiore a 6 miliardi.

Anche altri studi, come ad esempio la recente ricerca di Yole Developpement, prevedono un’espansione del mercato dei sistemi di visione nei prossimi anni. Le vendite totali di telecamere per visione industriale, pari a 1,2 milioni di dollari nel 2012, prevedono il raggiungimento di 2 miliardi di dollari nel 2018, ad un tasso di crescita annuale composto dell’8%. Il mercato, rallentato nel periodo 2009-2012 (un riflesso della recessione economica dell’industria globale), sta assistendo a una stabilizzazione basata su strategie di consolidamento, nuovi sviluppi di prodotto, posizionamento competitivo e identificazione di nuove opportunità. È prevista per il mercato dei sistemi di visione una ripresa nel corso dei prossimi anni, grazie a un trend crescente di automazione nelle fabbriche asiatiche, nuovi investimenti nel settore dei semiconduttori e l’emergere di nuove applicazioni di fascia bassa.

I miglioramenti tecnologici apportati nell’area delle smart camera e dei sistemi di vision compatti rappresentano uno dei principali fattori di sviluppo di questo mercato. Le telecamere digitali, quelle basate su IP e le Gig-E camera (telecamere con connessione dati ad altissima velocità, in Gbit/s) sono i componenti caratterizzati da crescenti tassi di vendita, in quanto molto richiesti in applicazioni di videosorveglianza e gestione del traffico. La visione 3D continua anch’essa a essere un’area di crescita in quanto permette di superare le problematiche finora presenti nei settori dell’ispezione, della guida robotica e delle applicazioni non industriali.

Applicazioni

In generale, i compiti svolti da un sistema di visione possono essere: riconoscimento, identificazione, rilevazione e ricostruzione di scene. Il riconoscimento prevede la classificazione degli oggetti (2D o 3D) in funzione di forme predefinite e memorizzate. L’identificazione invece individua un’istanza specifica di una classe (es. Identificazione di un volto, impronta digitale o veicolo specifico). La rilevazione consiste nello scandire l’immagine fino all’individuazione di una particolare condizione (ad esempio l’individuazione in immagini biomediche di possibili cellule anormali). Nella ricostruzione della scena, si cerca di ricostruire un modello tridimensionale della scena partendo da due o più immagini bidimensionali.

Tipicamente il sistema di visione effettua identificazioni di parti, ispezione di difetti, rilevamento di presenza/assenza, misurazioni dimensionali, posizionamento, conteggio. I campi di applicazione dei sistemi di visione sono innumerevoli e abbracciano diversi ambiti.

Nei processi di produzione industriale di parti elettriche ed elettroniche ad esempio i sistemi di visione vengono usati per identificare la differenziazione dei pulsanti sui cellulari, ispezionare saldature su schede e circuiti, rilevare placcature difettose, verificare il corretto assemblaggio e cablaggio, verificare la posizione di trimmer, verificare marcature assenti o errate sui componenti elettronici, misurare la complanarità dei pin di un connettore, posizionare dispositivi Ccd e substrati di schermi Lcd, confermare il posizionamento dei wafer di silicio.

Nei settori meccanico ed automobilistico i sistemi di visione trovano impiego ad esempio nell’identificazione di parti e difetti di cilindri, pistoni e alberi motore, nella verifica di presenza/assenza di grasso lubrificante, nella differenziazione di pneumatici, nella verifica di difetti nelle testate, nel controllo di posizionamento dei robot, nella misura della deformazione di materiali metallici, nella verifica di corretta inserzione di pannelli, nel conteggio di cuscinetti a sfera.

Nei settori farmaceutico ed alimentare i sistemi di visione sono usati per l’ispezione di differenti tipi di capsule, per la verifica di presenza di materiali estranei, per il controllo di prodotti plastici pressofusi o stampati (bicchieri, tazze, bottiglie e così via), per l’ispezione del fondo di lattine di alluminio per bibite, per il posizionamento corretto di etichette sulle confezioni, per il conteggio di prodotti all’interno di una scatola di cartone, per verificare il livello di liquido in una bottiglia.

Esistono infine molte altre applicazioni in settori non manifatturieri, tra i quali la videosorveglianza, il monitoraggio e controllo del traffico (ad esempio in ambito ferroviario) e applicazioni in ambito biomedico (analisi di funzionalità cellulari, analisi della postura umana, analisi di immagini biomediche e diagnostiche e così via), che sta acquisendo un crescente favore nel mercato delle applicazioni non industriali.

Nell’ambito dell’offerta di mercato italiana in ambito sistemi di visione si possono citare, a titolo di esempio, i sensori di visione Inspector di Sick, e la nuova telecamera industriale a 3 Ccd di Image S.

Fig. 4 – Gamma Inspector di Sick

La serie Inspector di Sick (Fig. 4) è composta da sensori di visione semplici, compatti, e affidabili, dotati di illuminazione integrata, potenti strumenti di analisi dell’immagine e interfaccia ethernet. I dispositivi sono in grado di ispezionare gli oggetti che si presentano con variazioni di posizione ed orientamento, con tempi di elaborazione veloci e ripetibili. Il design robusto è adatto per l’utilizzo in ambienti industriali, e le veloci funzioni di elaborazione permettono ad Inspector di tenere il ritmo delle linee di produzione ad alta velocità.

L’entry level della gamma Inspector, il modello I10, è un sensore di visione economico, caratterizzato da un’ottica fissa, con la possibilità di effettuare una localizzazione dell’oggetto da ispezionare e fino a 32 ispezioni di conteggio di pixel o di bordo. I10 dispone di ingressi digitali per il trigger e la selezione dei programmi, mentre è dotato di 3 uscite digitali per i risultati di Buono, Scarto o oggetto non trovato. Dotato della capacità di ispezionare oggetti non orientati a più di 10 parti al secondo, il sensore è adatto per applicazioni come: il controllo assemblaggio in ambito automotive, la verifica livello di riempimento e chiusura del tappo nell’imbottigliamento, la verifica presenza data di scadenza nel packaging.

Il modello I20, aggiunge alle funzionalità presenti nell’I10, la possibilità di cambiare l’ottica interna per ottenere diverse grandezze del campo inquadrato a parità di distanza di lavoro. È inoltre possibile aggiungere un diffusore a cupola per ottenere un’illuminazione uniforme. Il modello I40 presenta una risoluzione VGA ed è dotato di uno strumento di ispezione Pattern, per la comparazione di un modello con il campione; inoltre permette di comunicare con PLC tramite il protocollo Ethernet/IP. Una sua variante I40 LUT è dotata di illuminazione a led UV, per acquisire immagini di oggetti con componenti fluorescenti, ad esempio sigillanti, colle, marker luminescenti e marchi anti-contraffazione.

I modelli P30 e PI50 sono dedicati ad applicazioni di posizionamento/orientamento. Gli oggetti inquadrati possono essere localizzati tramite le funzioni di pattern matching o di blob analysis, e la loro posizione comunicata via interfaccia Ethernet TCP/IP o UDP, ad un PLC o ad robot. Nel modello P30 è possibile implementare un sistema di guida tramite uscite digitali, per il ricentraggio rispetto ad una regione di riferimento. L’Inspector PI50 include la funzione di calibrazione che permette di compensare distorsioni dell’ottica e prospettiche, oltre che riportare i risultati in millimetri. Le applicazioni principali per Inspector P30 e PI50 sono: l’orientamento di oggetti, la presa robot di pezzi singolarizzati, l’allineamento della posizione per traslo elevatori in magazzini automatici e la guida veicoli AGV basata sull’inseguimento di una linea. Inspector PI50 oltre alle funzioni di posizionamento include molti strumenti di ispezione, che permettono di realizzare applicazioni di controllo qualità complesse, tipicamente realizzate con sistemi di visione della categoria smart cameras.

Con Inspector PI50 sono state introdotte molte funzionalità per l’interfacciamento con la linea di produzione e l’integrazione a bordo macchina. È possibile creare un canale di comunicazione Ethernet TCP/IP o Ethernet/IP, sia per la trasmissione dei risultati dell’ispezione, sia per l’invio di comandi da PC/PLC all’Inspector. Inoltre è stato implementato un Server web e una Web API per creare interfacce di comunicazione basate su web browser.

Esistono anche versioni I20-IR, I40-IR e PI50-IR con illuminazione integrata all’infrarosso, che permette di ridurre le differenze nell’immagine di oggetti di diversi colori, utile per gestire formati di diversi colori, senza cambiare le impostazioni.

Fig. 5 – Telecamera AT-030MCL di JAI (Image S)

Image S, azienda protagonista nel mercato italiano come fornitore di componenti per Image Processing destinati a diversi mercati (industriale, medicale e scientifico), ha presentato la nuova telecamera a colori con 3CCD AT-030MCL di JAI (Fig. 5), che unisce alta velocità, risoluzione VGA e prezzo concorrenziale. AT-030MCL è particolarmente adatta per un utilizzo nel settore farmaceutico dove serve grande precisione nell’ispezione di pastiglie e ampolle, ma trova impiego anche nel controllo di alimenti, nell’ispezione di materiali stampati, diodi luminosi e schede elettroniche e in altre applicazioni ad alta velocità nelle quali è necessario scartare gli oggetti che presentano anche piccolissime difformità cromatiche.

AT-030MCL è una telecamera da 0,3 megapixel con frame rate elevati, basata sulla tecnologia JAI del blocco prismatico, che supporta tre CCD da 1/3 di pollice per immagini a colori ad alta fedeltà e risoluzioni spaziali superiori alle telecamere basate sulle tradizionali tecniche di interpolazione Bayer. Grazie ai 3 CCD integrati, la AT-030MCL cattura un valore specifico rosso, verde e blu per ogni pixel, generando l’uscita cromatica più precisa attualmente disponibile in commercio. Il processo di allineamento dei 3 sensori sviluppato da JAI fornisce una precisione nella risposta cromatica unica.

I tre sensori CCD ICX424AL forniscono una risoluzione di 659 (orizzontale) x 494 (verticale) pixel per ogni canale, con dimensioni dei singoli pixel pari a 7,4 per 7,4 micron. La telecamera opera a 120 fotogrammi al secondo a piena risoluzione e, utilizzando modalità a scansione parziale e binarizzazione (binning), può essere impostata per lavorare a frequenze molto più elevate. Ad esempio, con una scansione parziale a 1/8, la telecamera raggiunge i 422 fotogrammi/secondo a 659 (orizzontale) x 60(verticale) pixel.

L’interfaccia Camera Link consente di scegliere fra uscite a 8, 10 o 12-bit per canale, utilizzando una configurazione Camera Link base o media, secondo necessità. In virtù dell’uscita a colori RGB a 36 bit, nessun’altra telecamera progressiva a 3 CCD in commercio offre una fedeltà cromatica maggiore.

Sono disponibili diverse opzioni per ottimizzare la qualità dell’immagine per applicazioni e condizioni di luce specifiche. Le opzioni comprendono quattro modalità di bilanciamento dei bianchi (manuale, automatica one-push, automatica in continuo e temperatura colore predefinita), tre impostazioni gamma più una tabella LUT (Look-Up Table), compensazione automatica delle ombre, compensazione dei pixel difettosi (blemish), funzione Knee con valori RGB regolabili singolarmente e una matrice di correzione dei colori che permette di regolare manualmente ogni canale cromatico o scegliere fra una serie di impostazioni standard sviluppate da HP, Microsoft e Adobe.

La telecamera risulta così particolarmente adatta per impieghi nel settore farmaceutico, dove serve grande precisione nell’ispezione di pastiglie e ampolle. Fra le applicazioni più frequenti segnaliamo la verifica del colore di miscele in polvere, il controllo di completezza e colorazione dei rivestimenti di pillole/pastiglie, la verifica del contenuto di confezioni blister, la convalida delle informazioni e dei codici a barre sulle boccette di medicinali, ampolle e altre confezioni, per verificare che corrispondano alle specifiche del prodotto.

Oltre alle applicazioni nel settore farmaceutico, AT-030MCL trova impiego anche nel controllo di alimenti, nell’ispezione di materiali stampati, diodi luminosi e schede elettroniche e in altre applicazioni ad alta velocità nelle quali è necessario scartare gli oggetti che presentano anche piccolissime difformità cromatiche.

Silvano Iacobucci

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