مقاله طراحی یک سیستم اتوماتیک کیفیت سنجی کاربردی با ماشین بینایی

بخشی از مقاله

چکیده

طراحی و جمعآوری اجزای مختلف یک سامانه ماشین بینایی، که بتواند با هزینههای پایین و امکانات سادهتر که یک کاربر غیر متخصص نیز بتواند از آن استفاده کند، از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این تحقیق برای نیل به این خواسته، مجموعهای از اجزا ارایه شده است: تسمه نقاله با سرعت قابل کنترل توسط کامپیوتر، دوربین CCTV معمول در بازار، و نرم افزار IMAQ که عمل پردازش تصویر را انجام میدهد و قابلیت کنترل عملگرها جهت جداسازی محصول را داراست.

سپس طراحی سیستم و محاسبه هزینهها انجام گرفته، توسعه و نصب آن صورت میگیرد. قدمهای مهم در طراحی، انتخاب دوربین، تعیین میدان دید، محاسبه رزولوشن، انتخاب لنز، انتخاب بورد رابط و سخت افزار مناسب آن و نیز طراحی و انتخاب نرم افزار میباشد. برای گرفتن ویژگیهای مورد نظر روی محصول با ابعاد ١ میلی متر، دوربین CCTV با TVLINE ٢٠۵، انتخاب شد و آزمایشات در مورد ٠۵ سیب زمینی یاد شده، انجام گرفت. و با توجه به رعایت اصول یاد شده، دستگاه مزبور با چنین ویژگیهای طراحی، ٩٨% سیبزمینیها را سورت کرد.

مقدمه و بررسی منابع

تست یا بازرسی غیر مخرب - NDT - به روش هایی از بازرسی اطلاق می شود که در آنها کارایی یک نمونه بدون تغییر یا از بین رفتن آن نمونه، مورد بررسی قرار می گیرد. آزمونهای غیر مخرب دارای کاربرد وسیع در بسیاری از صنایع هستند. از جمله روش-های متداول این گونه تستها، بررسی چشمی - - VT میباشد که ماشین بینایی روشی اتوماتیک برای آن محسوب میشود. با توجه به اهمیت کیفیت ظاهری در درجهبندی محصولات غذایی و کشاورزی و تاثیر عواملی چون مساحت، حجم، نسبت قطر به عرض، رنگ و یکنواختی آن، وجود آلودگی و عیوب مختلف روی محصول و همچنین توانایی تشخیص این ویژگیها با هزینههای خیلی پایین توسط ماشین بینایی، به نظر میرسد ماشین بینایی در میان روشهای غیر مخرب، بهترین میباشد. فنآوری ماشین بینایی میتواند بسیار دقیق بوده و در عین غیر مخرب بودن، نتایج ثابتی را ارائه دهد.

کلیه سیستمهای کنترل اتوماتیک اساسا از یک دوربین، یک کامپیوتر مجهز به بورد رابط و یک سیستم نوردهی و حسگر تشکیل می-شوند. چنین سیستمی، ماشین بینایی نامیده میشود که در اندازهگیری و بررسی محصولات کشاورزی و مواد غذایی موفق عمل کرده است. ماشین بینایی از لحاظ کارایی در صنعت مواد غذایی، جزو ١٠ صنعت برتر استفاده کننده از این فنآوری است. پیشرفتهای اخیر در سخت افزار و نرم افزار، به لحاظ مطالعات بیشتر و تولید لوازم ارزانتر، به توسعه این سیستم در صنعت مواد غذایی کمک کرده است. صرفه اقتصادی، دایم بودن، سرعت بالا، دقت و غیر مخرب بودن، دلایل مهم رشد در این صنعت میباشند

ماشین بینایی علاوه بر بررسی نمونه در نور مرئی، قادر به بررسی در نورهای نامرئی مانند نور UV، NIR و IR میباشد. اطلاعات گرفته شده از اجسام در نور نامرئی در تشخیص میزان رسیدگی محصول، کیفیت و نوع محصول بسیار مفید میباشد. همچنین در تعیین کیفیت و عیوب، ترکیبات و خصوصیات اساسی و تشخیص بیماری پس از برداشت، بسیار مورد استفاده قرار میگیرد. فنآوری ماشین بینایی، بهره وری را افزایش داده، هزینهها را کاهش میدهد. و کیفیت بهتر و مطمئنتری را برای مصرف کننده فراهم میکند - چن و همکاران ٢٠٠٢ - . منظور از کیفیت، مجموعه تمام صفاتی است که در صورت جمع شدن آنها در یک مجموعه، محصولی مورد قبول مصرف کننده تولید می شود. فاکتورهای طراحی آن، وابسته به اندازه و رنگ محصول و نیز ویژگیهای بارز آن بوده با تغییر آن ها، این فاکتورها متفاوت خواهند بود.

نرم افزاری برای انتقال سیگنالهای الکترونیکی به کامپیوتر، گرفتن تصویر و ذخیره و پردازش آن، مورد نیاز است.
با توجه به لزوم پرداخت هزینه بالا برای استفاده از تجهیزات ویژه ماشین بینایی ساخت شرکتهای معروف دید ماشین، به ویژه برای نرمافزار جانبی آن، وجود یک سیستم ساده دید ماشین، در مراکز صنعتی ایران و با توجه به امکانات موجود در داخل کشور، اهمیت پیدا میکند. در این مقاله سعی برآن است که به جای روشهای غیر کاربردی و غیر صنعتی و استفاده از دوربینهای عکاسی معمولی دستی که تنها حالتی تحقیقاتی دارند، با در نظر گرفتن امکاناتی که به وفور در بازار با قیمت مناسب یافت میشود، یک سیستم کامل کیفیتسنجی مقرون به صرفه حاصل شود.

مواد و روشها

پایه و اساس یک طرح موفق، تعیین دقیق وظیفه و محیط آن است. سپس طراحی سیستم و محاسبه هزینهها انجام گرفته، توسعه و نصب آن صورت میگیرد . قدمهای مهم در طراحی، انتخاب دوربین، تعیین میدان دید، محاسبه رزولوشن١، انتخاب لنز، انتخاب دوربین وبورد رابط و سخت افزار مناسب آن و نیز طراحی و انتخاب نرم افزار میباشد، که هر کدام شرح داده خواهند شد.

برای طرح کلی ماشین بینایی، توصیف دقیقی از نمونهها مورد نیاز است و خصوصیات آن از جمله مجزا بودن و یا پیوسته بودن جریان ماده، ابعاد مینیمم و ماکزیمم، محدوده تغییرات شکل ظاهری، خصوصیات سطح و رنگ، صدمات به واسطه انتقال، باید تعیین شوند. در صورت مجزا بودن ماده، باید زمان توقف نمونه تعریف شود، چرا که بر کیفیت تصویربرداری تاثیر میگذارد. در حرکت مداوم نمونه روی تسمه نقاله، سرعت و شتاب عوامل کلیدی در تصویربرداری میباشند.

دقت و عملکرد زمانی، پارامترهای عملکردی میباشند که به ترتیب بر رزولوشن و انتخاب توانایی سخت افزار و الگوریتمها، تاثیر میگذارند.

علاوه بر فضای نصب که با توجه به حداکثر و حداقل فاصله بین قطعه و دوربین و همچنین فاصله بین دوربین و واحد پردازش تعیین میشود، محیط باید نسبت به عواملی چون نور اطراف، گرد و غباری که سیستم در آن کار خواهد کرد، شوک و لرزهای که اجزای سیستم را تحت تاثیر قرار میدهد و همچنین دمای محیط، بررسی گردد.

در تعیین نوع دوربین، انتخاب دوربین سطحی و یا دوربین اسکن خطی، انتخاب سخت افزار و تصویر را تحت تاثیر قرار میدهد. دوربینهای سطحی متداولتر بوده، در مقایسه با دوربینهای اسکن خطی دارای مزایایی میباشند. نصب دوربینهای سطحی سادهتر است چرا که نیازی به حرکت نمونه و یا دوربین مانند دوربینهای اسکن خطی، ندارد. استارت زنی به منظور شروع عکسبرداری - triggering - در دوربینهای اسکن خطی، به علت حرکت دوربین یا نمونه، نیاز به دقت خاصی دارد. دوربینهای سطحی و رابط آن-ها در مقایسه با دوربینهای اسکن خطی، ارزانتر هستند. دلیل استفاده از دوربینهای اسکن خطی، بالا بودن رزولوشن در جهت حرکت اسکنر و عمود بر آن و نیز امکان پردازش متداوم جریان دادههای تصویر، میباشد.

یکی دیگر از عوامل طراحی سیستم ماشین بینایی، میدان دید است که فاکتورهای تعیین آن موارد زیرند: حداکثر اندازه نمونه، حداکثر تغییر در موقعیت حضور نمونه در محفظه به هنگام انتقال و جهتگیری، حاشیه در نظر گرفته شده بنا بر حدود تغییرات اندازه نمونه و نسبت بزرگنمایی سنسور دوربین. میدان دید با مثالی در شکل ١ توضیح داده شدهاست.

شکل ١ - فریم ١ حداکثر اندازه قطعه را نشان میدهد. حداکثر تغییرات به هنگام انتقال و جهتگیری با فریم ٢ مشخص میشود. فریم ٣ حداکثر اندازه به علاوه تلرانس را نشان میدهد. فریم ۴ حاشیه بین تصویر و قطعه را تعیین میکند. میدان دید محاسبه شده - ۵ - باید با توجه به resolution سنسور دوربین تنظیم شود.

بنابراین میدان دید با رابطه زیر محاسبه میشود:

سازگاری بزرگنمایی سنسور دوربین+حاشیه ها+تلرانس+حداکثر اندازه نمونهFOV= در رزولوشن - تفکیک پذیری - باید قادر به تمایز بین رزولوشن سنسور دوربین، رزولوشن فضایی و دقت اندازهگیری، باشیم. رزولوشن سنسور دوربین، تعداد سطر و ستون میباشد که با پیکسل اندازهگیری میشود و برای دوربینهای اسکن خطی در یک بعد تعریف می-شود. رزولوشن فضایی، نگاشت مستقیم اجسام دنیای واقعی به سنسور تصویر است و با میلی متر بر پیکسل تعریف میشود. این رزولوشن وابسته به سنسور دوربین و میدان دید است و نگاشت، توسط لنز انجام میگیرد. دقت اندازهگیری، عملکرد کلی سیستم است و وابسته به الگوریتم نرم افزار بوده و به کیفیت تصویر بستگی دارد.
در انتخاب دوربین، نیاز به دانستن رزولوشن داریم که برای دوربینهای سطحی به این صورت محاسبه میشود:

Sf اندازه کوچکترین ذره که اندازهگیری خواهد شد - میلی متر - Nf تعداد پیکسل لازم برای نگاشت کوچکترین ذره - پیکسل - میباشد.

و برای دوربینهای اسکن خطی محاسبات به صورت زیر است:

که در آن:

resolution Rs فضایی - میلی متر بر پیکسل - v سرعت نسبی - میلی متر بر ثانیه -

fs     فرکانس خطی - هرتز -

ts     زمان اسکن - ثانیه بر اسکن - میباشد.

بعد از تعیین نوع دوربین، موارد دیگری نیز باید بررسی شوند، از جمله: سنسور رنگ، تکنولوژی بورد مورد نیاز، اندازه بسته مدل، قیمت و در دسترس بودن.

مدل دوربین، انتخاب نوع بورد رابط را تحت الشعاع قرار میدهد و برعکس و این دو باید با هم سازگار باشند. بنابراین در انتخاب بورد رابط، قابلیت تطبیق با نرخ پیکسل، پشتیبانی بسته نرم افزاری، تعداد دوربینهای مورد استفاده، ابزار کنترل دوربین از طریق بورد رابط، توانایی پردازش on-board و قابلیت دسترسی به ورودی-خروجی چند منظوره، را مد نظر میگیریم.

نرخ پیکسل، سرعت تصویربرداری بر حسب پیکسل در هر ثانیه است. برای یک دوربین سطحی به شکل زیر تعیین میشود - هرن برگ ۶٢٠٠ - که در آن:

نرخ پیکسل - پیکسل بر ثانیه - resolution عمودی دوربین - پیکسل - resolution افقی دوربین - پیکسل - سرعت فریم - هرتز - resolution دوربین - پیکسل - فرکانس خطی - هرتز - میباشد.

و برای دوربینهای اسکن خطی محاسبات به شکل زیر است:

در بخش نورپردازی، توزیع نور را بررسی میکنیم که به محل منبع نور و شکل هندسی محصول بستگی دارد. دلیل اهمیت آن، این است که برای اجسام کروی و شبه کروی معمولا کناره های تیره و مرکز درخشانی داریم که قسمت های تیره، به عنوان پوسته آسیب دیده تشخیص داده می شوند. در ارزیابی منابع نوری، انواع روشهای نورپردازی و منابع نوری مورد استفاده، بررسی میشوند.

از روشهاي مختلف برای نور پردازي می توان بهره جست که نورپردازي از پشت ، نورپردازي از مقابل ، نورپردازي داراي ساختار و نورپردازي لحظه اي از جمله آنهاست که هرکدام برای هدف خاصی استفاده می شود.