۱۰ روش ضروری برای طراحی بینایی ماشین

۱. محیط زیست

تصاویر در هر گوشه‌ای از جهان ثبت می‌شوند. در یک ساختمان شرکتی یا مسکونی، دیدن سیستم‌های امنیتی امری عادی است و هنگام رانندگی می‌توان باجه‌های عوارض با سیستم‌های تعبیه‌شده و ماژول‌های کوچک در سطح برد که به پهپادهای تصویربرداری هوایی متصل هستند، مواجه شد.

طیف وسیعی از محیط‌هایی که به راه‌حل‌های تصویربرداری قابل اعتماد نیاز دارند، گسترده است و اگرچه این سیستم‌ها اغلب به عنوان سیستم‌های بینایی ماشین تعمیم داده می‌شوند، واضح است که راه‌حل‌های تصویربرداری فراتر از کاربردهای کارخانه‌ای هستند.

شرایطی که یک سیستم بینایی در آن کار می‌کند، بسیاری از مشخصات لازم برای ارائه تصویر مورد نیاز را تعیین می‌کند، از جمله شرایط آب و هوایی مانند نور مستقیم خورشید، باران، برف، گرما و سایر عوامل خارجی که خارج از محدوده کنترل ما هستند. با این حال، یک سیستم بینایی می‌تواند با در نظر گرفتن این موارد طراحی شود. عواملی مانند نور اضافی را می‌توان در یک سیستم گنجاند، یا محفظه مناسبی برای اطمینان از محافظت دوربین و حسگر آن در برابر آب و هوای نامساعد در نظر گرفت. به طور خلاصه، سیستم‌ها را می‌توان طوری تنظیم کرد که دوربین همیشه تصویر واضحی داشته باشد.

۱۰ روش ضروری برای طراحی بینایی ماشین

۲. حسگر

هنگام تصمیم‌گیری در مورد انتخاب دوربین برای سیستم بینایی، بیشتر عملکرد آن به حسگر تصویر بستگی دارد. درک توانایی‌های یک دوربین اساساً به نوع حسگر مورد استفاده بستگی دارد. از سوی دیگر، دو دوربین مختلف با حسگر یکسان لزوماً تصویر یکسانی تولید نمی‌کنند. در واقع، به احتمال زیاد تفاوت‌های قابل توجهی با هم خواهند داشت. بنابراین، بررسی بقیه این ملاحظات بسیار مهم است.

فرمت سنسور، تأثیر زیادی در تطابق اپتیک و نحوه نمایش تصاویر خواهد داشت. فرمت‌ها فراوان هستند، اما برخی از رایج‌ترین آنها شامل APS-C، ۱.۱ اینچی، ۱ اینچی و ۲/۳ اینچی می‌شوند. هنگام استفاده از اندازه سنسور بزرگتر، یک سیستم بینایی اغلب می‌تواند از پیکسل‌های بیشتری بهره‌مند شود و در نتیجه تصویری با وضوح بالاتر به دست آید. با این حال، چندین مشخصات دیگر نیز وجود دارد که به همان اندازه مهم هستند. جزئیاتی مانند ظرفیت کامل چاه، راندمان کوانتومی و نوع شاتر، همگی در نحوه برخورد سنسور با اهداف مختلف در موقعیت‌های منحصر به فرد نقش دارند.

۳. لنز

پس از تصمیم‌گیری در مورد جنبه‌های داخلی دوربین، یک سیستم بینایی برای تمرکز روی هدفی که فقط با لنز قابل دستیابی است، به کمی کمک نیاز دارد. در سیستم‌های بینایی ماشین، اندازه دوربین می‌تواند بسته به کاربرد متفاوت باشد. در سیستم‌های بزرگتر، بسته به تصویر مورد نظر، ممکن است به یک لنز زوم نیاز باشد. در بینایی ماشین، بسیاری از دوربین‌ها روی یک منطقه هدف خاص قفل می‌شوند و از لنزهای پرایم با فاصله کانونی ثابت بهره می‌برند.

هر لنز بر اساس سازنده و حسگری که به آن متصل می‌شود، سیستم نصب خاصی دارد. پایه‌های لنز رایج برای بینایی ماشین شامل C-mount، CS-mount و M42-mount است. بنابراین، قبل از انتخاب لنز، اولین قدم بررسی مشخصات حسگر مورد نیاز است.

مشخصه اصلی یک لنز، فاصله کانونی آن است. با کاهش فاصله کانونی، میدان دید (FoV) به طور معکوس افزایش می‌یابد. این بدان معناست که با افزایش مساحتی که لنز می‌تواند ثبت کند، بزرگنمایی هر عنصر کاهش می‌یابد. سایر مشخصات نیز مانند فاصله کاری و دیافراگم نیز برای بررسی ارزشمند هستند.

۴. نورپردازی

مسلماً مهم‌ترین بخش یک سیستم بینایی، نورپردازی است. دلیل این امر این است که مهم نیست حسگر دوربین در نور کم چقدر حساس باشد، هیچ جایگزینی برای وضوحی که از یک هدف با روشنایی مناسب به دست می‌آید، وجود ندارد. نورپردازی همچنین می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد که به آشکار شدن اطلاعات جدید در مورد یک هدف کمک کند.

نورهای منطقه‌ای یک راه حل عمومی‌تر برای توزیع یکنواخت نور هستند، البته تا زمانی که هدف در فاصله مناسبی از منبع باشد تا از ایجاد نقاط داغ جلوگیری شود. نورهای حلقه‌ای هنگام کار با سطوح بسیار بازتابنده مفید هستند زیرا می‌توانند بازتاب‌ها را کاهش دهند. نورهای دیگر شامل نورهای گنبدی برای فلزات ماشینکاری شده و نور ساختار یافته برای نقشه‌برداری سه‌بعدی از اشیاء هستند. حتی اضافه کردن نور رنگی می‌تواند جزئیات را اضافه کرده و کنتراست را افزایش دهد.

۵. فیلترها

اگر نور ناخواسته‌ی اضافی از لنز عبور کند، می‌تواند جزئیات مهم را کاهش دهد. انواع مختلفی از فیلترها وجود دارند که می‌توانند برای کاهش و حذف نور خاص استفاده شوند. دو نوع اصلی فیلترهای رنگی، فیلترهای دورنگ‌نما (dichromic) و فیلترهای جذبی (absorptive) هستند. تفاوت اصلی بین این دو نوع فیلتر این است که فیلترهای دورنگ‌نما برای بازتاب طول موج‌های نامطلوب طراحی شده‌اند در حالی که فیلترهای جذبی طول موج‌های اضافی را جذب می‌کنند تا فقط طول موج‌های مورد نیاز را منتقل کنند.

فیلتر کردن رنگ تنها کاربرد فیلترها نیست. فیلترهای چگالی خنثی (ND) سطح کلی نور را کاهش می‌دهند، در حالی که فیلترهای پلاریزه نور پلاریزه را حذف می‌کنند که باعث کاهش نور منعکس شده می‌شود. پوشش‌های ضد انعکاس (AR) به کاهش انعکاس در سیستم بینایی کمک می‌کنند. این امر به ویژه برای کاربردهایی مانند سیستم‌های ترافیک هوشمند (ITS) مفید است که در آن کاهش تابش خیره‌کننده می‌تواند دقت نرم‌افزار تشخیص کاراکتر نوری (OCR) را افزایش دهد.

۶. نرخ فریم

سرعت دوربین را می‌توان با واحد فریم در ثانیه (fps) اندازه‌گیری کرد. دوربینی که نرخ فریم بالاتری دارد، می‌تواند تصاویر بیشتری ثبت کند. این موضوع همچنین بر هر تصویری که ثبت می‌شود تأثیر می‌گذارد، زیرا با افزایش نرخ فریم، زمان نوردهی هر تصویر کاهش می‌یابد. این امر منجر به تاری کمتر می‌شود زیرا دوربین اهداف متحرک سریع مانند اشیاء روی تسمه نقاله را ثبت می‌کند. عیب نوردهی‌های کوتاه، کمبود زمانی است که حسگر قادر به جمع‌آوری نور در طول هر عکس است. در این موارد، اندازه پیکسل بزرگتر برای حسگر اغلب به افزایش روشنایی کلی هر تصویر کمک می‌کند.

۷. نویز و بهره

وقتی نرخ فریم بالا ضروری است و نمی‌توان از نوردهی کوتاه اجتناب کرد، بهره دوربین می‌تواند به طور بالقوه کاهش روشنایی را جبران کند. دلیل اینکه بهره نمی‌تواند راه حل آسانی برای همه چالش‌های روشنایی باشد، نویزی است که ایجاد می‌کند. با افزایش بهره، نویز نیز افزایش می‌یابد که وضوح تصویر را کاهش می‌دهد. افزایش بهره به دوربین اجازه می‌دهد تا حساسیت حسگر را افزایش دهد. این بدان معناست که سیستم بینایی می‌تواند با نور کمتر، تصویر روشن‌تری را دریافت کند، اما وضوح ناشی از نویز خواندن و نویز جریان تاریک را نیز کاهش می‌دهد.

۸. عمق بیت و محدوده دینامیکی

برای اندازه‌گیری دقیق اهداف خاص، یک سیستم بینایی باید عمق بیت به اندازه کافی بالایی داشته باشد. هرچه عمق بیت بالاتر باشد، درجه واریانس بین پیکسل‌ها بیشتر است. از سوی دیگر، محدوده دینامیکی نشان دهنده توانایی یک دوربین در تشخیص جزئیات از روشن‌ترین بخش‌های تصویر تا تاریک‌ترین آنهاست.

در کاربردهای فضای باز، به ندرت به بیش از ۸ بیت نیاز است، مگر اینکه نیاز به اندازه‌گیری با دقت بالا مانند فتوگرامتری باشد. با این حال، تصویربرداری در فضای باز می‌تواند با ثبت داده‌ها در نور شدید خورشید مانند آسمان، که اغلب در بسیاری از تصاویر بیش از حد نوردهی می‌شود، و ثبت جزئیات در سایه‌های یک هدف، از محدوده دینامیکی بالا بهره زیادی ببرد. یک راه حل ممکن می‌تواند افزایش زمان نوردهی یا گین باشد، اما این کار فقط منجر به ثبت جزئیات در سایه‌ها و کاهش داده‌ها در بخش‌های روشن می‌شود. محدوده دینامیکی بالا می‌تواند تضمین کند که در هر قسمت از تصویر وضوح وجود دارد.

۹. نرم‌افزار

حتی با سخت‌افزارهای پیشرفته، دوربین فقط می‌تواند آنچه را که نرم‌افزار درخواست می‌کند، انجام دهد. اجزای اساسی نرم‌افزار، دریافت و کنترل تصویر، همراه با نرم‌افزار پردازش تصویر هستند. منبع اصلی داده‌های تصویر از نرم‌افزار دریافت و کنترل تصویر می‌آید که داده‌های خام را از دوربین می‌گیرد و آن را برای کاربر نهایی تفسیر می‌کند. یکی از روش‌های رایج انجام این کار این است که وقتی یک دوربین رنگی تصویری می‌گیرد، داده‌های پیکسلی از طریق یک فیلتر فیزیکی بایر فیلتر می‌شوند و سپس نرم‌افزار آن داده‌ها را برای ساخت یک تصویر رنگی می‌گیرد.

مرحله بعدی در درخت نرم‌افزار مربوط به کاری است که با داده‌های تصویر انجام می‌شود. این می‌تواند شامل وظایف متنوعی برای بینایی ماشین مانند بازرسی، تجزیه و تحلیل و ویرایش برای کاربردهایی مانند کنترل کیفیت باشد، زمانی که یک هدف از کنار دوربین عبور می‌کند و نیاز به آزمایش دارد.

۱۰. رابط کاربری

با پیشرفت روزافزون فناوری دوربین و تولید حجم عظیمی از داده‌های تصویری، توسعه روش‌هایی برای ارائه این داده‌ها بسیار مهم است. رابط‌های دوربین به روش‌های مختلفی توسعه یافته‌اند تا طیف وسیعی از گزینه‌ها را برای هر کاربرد تصویربرداری ارائه دهند. چهار راهکار رایج عبارتند از USB3، GigE، CoaXpress (CXP) و Camera Link High Speed ​​(CLHS). ویژگی‌های اصلی که هنگام بررسی رابط سیستم بینایی باید در نظر گرفت، پهنای باند مورد نیاز، همگام‌سازی، سهولت استقرار و طول کابل است.

بینایی ماشین چیست؟

بینایی ماشین شامل فناوری‌ها و روش‌هایی است که سیستم‌های خودکار، به‌ویژه در حوزه‌های صنعتی و تولیدی، را قادر می‌سازد تا اطلاعات بصری را از محیط خود جمع‌آوری، پردازش و تجزیه و تحلیل کنند. بینایی ماشین به عنوان زیرمجموعه‌ای از بینایی رایانه‌ای، به‌طور خاص برای انجام وظایف ساختاریافته، پرسرعت و با دقت بالا در محیط‌های کنترل‌شده مانند خطوط تولید مهندسی شده است.

یک سیستم بینایی ماشین معمولی، سخت‌افزار تصویربرداری، مانند دوربین‌های صنعتی و اپتیک، را با الگوریتم‌های نرم‌افزاری پیشرفته ادغام می‌کند تا تجزیه و تحلیل بلادرنگ انجام دهد. تصاویر گرفته شده برای استخراج ویژگی‌های حیاتی مانند اندازه‌گیری‌های ابعادی، شناسایی قطعه، تأیید هم‌ترازی و تشخیص نقص پردازش می‌شوند. بر اساس داده‌های استخراج شده، سیستم می‌تواند فرآیندهای تصمیم‌گیری را آغاز کند یا پاسخ‌های خودکار را فعال کند و عملیات کاملاً خودکار را بدون دخالت انسان امکان‌پذیر سازد.