книги / Оптоэлектронные сенсорные системы

туров, точное позиционирование (определение места) объекта и вы­ сокая точность измерения признаков.

Контроль поверхности непрозрачных объектов осуществляют методом отраженного излучения. Чистоту поверхности (загрязнен­ ность, дефекты и др.) и ее свойства можно определять по степени яркости при косой освещенности поверхности и перпендикулярной к излучению позиции приемника или наоборот. Для контроля глян­ ца поверхности ее освещают двумя параллельными источниками, излучение их наклонно и под таким же углом размещается плос­ кость приемного окна сенсорного устройства. Если, например, по­ верхность лакирована и под лаком скрыты дефекты или иные неод­ нородности, то процедура контроля усложняется, так как требуется разделение информации (все глянцевые места отражают одно и то же излучение независимо от скрытых в них неоднородностей).

Для увеличения контрастности изображения, а также устранения бликов используют (как в фотографии) поляризационные фильтры.

Отклонение поверхности от горизонтали можно хорошо контрот пировать, освещая поверхность параллельной узкой полоской света, и по его прерыванию оценивать неровность. Неровность можно также определять по соответствующей тени при плоском освеще­ нии поверхности.

Зеркала и линзы фокусировкой луча позволяют эффективно ис­ пользовать поток излучения, а также обеспечивают требуемые ха­ рактеристики освещенности. Для галогенной лампы с небольшой спиралью лучше всего подходит параболическое зеркало (автомо­ бильная фара), что позволяет разместить спираль в фокусе излуча­ теля. Такое устройство создает параллельный пучок, который мо­ жет концентрироваться дополнительно фокусирующей линзой.

С источниками, излучающими полосу света, применяют цилин­ дрические зеркала с параболической или эллиптической поверхнос­ тью. Лампу в таком источнике размещают на линии фокусного рас­ стояния зеркала. При эллиптическом зеркале излучение фокусирует­ ся дважды. Для фокусирования света на линии фокусного расстояния используют цилиндрические линзы.

Необходимо принимать во внимание, что излучаемый рефлекто­ ром свет, если перед ним отсутствует диафрагма, представляет со­ бой смесь прямого направленного и ненаправленного излучений.

71

делить множество признаков. Однако с ростом их количества воз­ растают затраты как на классификацию, так и на их поиск и распознавание. Поэтому стремятся ограничить множество призна­ ков минимально достаточным подмножеством.

Часто возникает необходимость в выделении признаков первой группы (1—7), приведенных в табл. 5, в сочетании с использовани­ ем тестовых линий шаблонной маски (рис. 20). Этого легко до­ стичь, если все контролируемые параметры объекта отражены со­ ответствующими признаками. Другая возможность заключается в задании качественного критерия отдельному признаку или вектору признаков. При этом необходимо обеспечить условие соответствия «чувствительности» признака отображаемому им параметру, т. е. изменение параметра р должно приводить к достаточно заметному изменению значения его признака, т. е.

где С — вектор признаков; S — чувствительность.

Чем больше чувствительность 5, тем лучше выбранный признак отвечает требованиям внутреннего отображения объекта. Так как объект характеризуется совокупностью признаков, то чувствитель­ ность должна быть максимальной относительно всех рассматривае­ мых параметров.

5.3. Техническая реализация системы

Можно выделить три возможности технической реализации оптоэлектронных сенсорных систем [21].

1. Использование серийно выпускаемых стандартных узлов (бло­ ков) и приборов. Такой подход целесообразен, когда отсутствуют особые требования к скорости обработки и функциональной инте­ грации, а также есть необходимость серийного производства спро­ ектированной на такой основе системы, не ориентированной на ре­ шение «экзотических» задач.

2. Индивидуальное (заказное) проектирование. Такой подход ха­ рактерен для решения специализированных задач, когда не предъяв­ ляют особых требований к интеграции оборудования. Реализация систем в таких случаях базируется в основном на аппаратных средствах.

73

Рис. 35. Блок-схема процедуры выбора концепции разработки оптоэлектронной сен­ сорной системы.

3. Использование стандартных серийных блоков, а также узлов собственной разработки. Такой комбинированный подход целесо­ образен для одиночного и мелкосерийного производства специали­ зированных систем.

Последняя возможность обеспечивает хороший компромисс между экономическими показателями и эксплуатационными воз­ можностями систем.

Использование аппаратных и программных модулей обеспечива­ ет взаимозаменяемость, универсальность применения и возмож­ ность построения различных конфигураций систем.

Имея в своем распоряжении номенклатуру типовых модулей, разработчик должен принимать решения о том, какие из этих моду­ лей позволяют оптимально реализовать ту или иную функцию. Процесс принятия такого решения отображен в виде блок-схемы со­ ответствующего алгоритма на рис. 35.

При третьем подходе к проектированию систем проблемно ори­ ентированное программное обеспечение необходимо разрабаты­ вать, максимально используя существующие программные модули. Разработку программного обеспечения выполняют с применением САПР оптоэлектронных систем распознавания изображений. Речь идет о системе высокой организации с развитой сетью периферий­ ных устройств, включая графические построители и дисплеи. САПР

74

обеспечивает диалоговый режим работы на всех этапах проектиро­ вания от формулирования задания на распознавание до технических преобразований, включая тесты программ, вплоть до ввода в экс­ плуатацию. Рабочее место проектировщика таких систем изображе­ но на рис. 34. Отдельные шаги и вопросы диалога проектировщика с системой указаны на блок-схеме алгоритма проектирования на рис. 33. Результатом проектирования является решение исполнения комплекса программно-технических средств. В рамках системы про­ грамм разрабатываются также сервисные и вспомогательные про­ граммы, включая программы автоматического режима работы сис­ темы, обучения и др.

5.4. П ример проектирования

Рассмотрим проектирование оптоэлектронной сенсорной систе­ мы применительно к контролю качества облицовочных плиток, за­ ключающемуся в оценке качества покраски и глянца ее поверхности. Настенная плитка размером 150 х 150 мм2 имеет окантовку по кра­ ям шириной 2—5 мм. Плитка считается годной, если на расстоянии в 1 м на ней не будут видны дефекты в виде сколов, повреждений глазури и темных пятен, возникающих при обжиге. При соответ­ ствующем размещении фотоприемного устройства темные пятна на расстоянии 1 м обнаруживаются в тех случаях, когда их диаметр ненамного превышает 0,2 мм. При. использовании линейчатого при­ емника на ПЗС с разрешением 256 элементов в строке на каждый сенсорный элемент проецируется часть изображения шириной при­ мерно .0,6 мм, что не обеспечивает требуемой точности контроля темных пятен (рис. 3). Для этой цели пригоден линейчатый прием­ ник на ПЗС типа L 133 С с числом элементов, равным 1024.

Мера изображения при освещенности краевых элементов со­ ставит

Однако на практике она больше, так как линейка ПЗС на несколько мм превосходит ширину плитки.

При этом Nx — число сенсорных элементов, на которые проеци­ руется изображение плитки. Масштаб изображения составляет

75

Считываемый растр, вследствие формата плитки и плоского изображения дефектов, целесообразно представить двоичным ква­ дратным отображением, в котором rx = ry . С точки зрения требуе­ мой производительности производства контролю должны подвер­ гаться 3 плитки в с. Если расстояние между плитками задать ал = 50 мм, то скорость перемещения составит

В соответствии с выражением (5) время экспозиции будет со­ ставлять

Освещенность объекта должна быть максимально равномерной и обеспечивать формирование видеоимпульсов с достаточной для последующей обработки амплитудой.

Для контроля плиток требуется источник, излучающий полосу света. Используемая галогенная лампа с таким излучением имеет мощность 1000 Вт и длину спирали около 140 мм. Равномерности освещенности объекта и амплитуд видеосигналов можно добиться, используя театральный прожектор с такой лампой, снабженный бо­ ковым плоским рефлектором. Остаточную неравномерность в этом случае следует отнести за счет различия характеристик сенсорных элементов.

Источник излучения и видеокамера должны быть установлены таким образом, чтобы достигалась максимальная контрастность изображения и тем самым максимально возможно точное сравне­ ние черно-белых переходов двоично представляемого изображения. Последнее достигается с большим трудом.

Качество глазури (глянцевидность поверхности) определяют по направлению излучения, отраженного от поверхности плитки, осве­ щаемой параллельным пучком света, падающим под определенным

76

углом. Дефектным местам соответствуют видеосигналы с относи­ тельно малой амплитудой. Однако при этом могут возникать по­ грешности распознавания, вызванные неравномерностью освещен­ ности поверхности плитки, например, из-за тени, создаваемой де­ ржателем спирали лампы. Кроме того, на поверхности плитки могут наблюдаться темные точки, которые не должны квалифици­ роваться при контроле как дефекты покрытия.

Для совмещения контроля дефектов плитки и качества покрытия (глянцевидности поверхности) используют две видеокамеры, одна из которых воспринимает отраженный свет и определяет наличие сколов, а вторая (с большей приемной поверхностью) определяет качество глазури. Большая приемная поверхность видеокамеры обеспечивает большое время интегрирования и позволяет использо­ вать для освещения объекта люминесцентную лампу. Тем самым исключаются упомянутые выше ошибки контроля, однако кон­ троль качества покрытия вблизи краев плитки становится невоз­ можным.

Для указанных видов контроля можно использовать и одну ви­ деокамеру. Помимо трещин и сколов, образующихся при обжиге плитки, на ее краях могут возникать и различные дефекты покры­ тия. Если камеру отклонить на несколько градусов от угла наблю­ дения, требуемого при контроле качества покрытия плитки, то воз­ можно обнаружение и других ее дефектов. При этом место изгиба края плитки может быть идентифицировано как дефектное из-за на­ личия темных точек. Для исключения подобных ошибок контроля опытным путем подбирается определенный угол наблюдения. В случае использования одной видеокамеры для полного контроля плитки отсутствует взаимосвязь между ее дефектами и ошибками двоичного (черно-белого) отображения объекта. Однако это не столь существенно, так как основной причиной брака плитки явля­ ются именно дефекты покрытия. Следует подчеркнуть, что при ис­ пользовании одной видеокамеры исключается возможность контро­ ля качества покрытия по краям плитки, особенно в местах изгибов.

Рассмотренные выше вопросы отображения и представления объектов контроля должны быть приняты во внимание при техни­ ческой реализации соответствующей сенсорной системы. Для счи­ тывания одной строки в выбранной видеокамере можно задать вре­ мя строчной развертки, равное 260 мкс. При этом необходимо стре­ миться к соответствию времени цикла камеры и времени интегрирования (// ~ tnz), с тем чтобы затраты на достижение тре­ буемой, освещенности оказались приемлемыми. Это условие стано­ вится выполнимым при работе камеры в режиме самосинхрониза-

77

ции (внутреннего управления). При таком режиме видеосигналы, полученные в данном цикле интегрирования, считываются во время последующего, причем необходимо обеспечить, чтобы время счи­ тывания сигналов /DAT < U. Из последнего условия и требуемого числа элементов изображения вычисляют необходимую тактовую частоту видеокамеры

сигналов и синхронизацию их передачи, делает необходимым их сжатие путем предварительной обработки и буферное накопление. Сжатие данных осуществляется в основном в модуле управления за счет представления данных качественными признаками и их запо­ минания. При этом отдельные поля признаков маркируются специ­ альными символами:

M l — завершение поля признаков в направлении чтения строки; М2 — завершение цикла развертки строки и чтения поля при­

знаков; М3 — завершение первого цикла развертки строки после поля

признаков.

Под полем признаков в двоичном отображении объектов пони­ мают любое отклонение от нормального изображения (состояния). Все двоичные данные, не содержащие информации о качественных признаках, не запоминаются.

Стандарт на испытания плиток определяет качество ее поверх­ ности. Различают сколы по краям и в середине поверхности. Ин­ формация о контроле и оценках качества плитки концентрируется в специальном модуле программного обеспечения микроЭВМ. Этот модуль регламентирует размещение поступающих данных в буфер­ ной памяти. После завершения цикла работы видеокамеры процес­ сор считывает данные из буфера и подготавливает тем самым его для очередного цикла работы. Параллельно считыванию данных текущего цикла выполняется обработка данных предыдущего цикла с целью получения оценок:

—максимальной протяженности поля признаков в направлении строки;

—максимальной протяженности поля признаков в направлении развертки;

—площади отдельных полей признаков;

78

—общей площади полей признаков;

—числа полей признаков;

—коэффициентов форм.

Предусмотрена классификация признаков по семи группам, для которых заданы соответствующие граничные значения. Классифи­ катор реализуется программными средствами. Полученная неблаго­ приятная оценка хотя бы одной из групп признаков служит призна­ ком брака плитки и сигнализируется.

6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СЕНСОРНЫХ

СИСТЕМ

6.1. К онтроль наличия изделий (объектов)

Такой контроль является наиболее простым и сводится к двоич­ ному решению: «да» или «нет».

Оптический контроль работы сверлильного станка (целостности сверла)

Для контроля выполнения сверлильных или нарезных работ (по­ ломок сверла или метчика) используют инфракрасное излучение. Фотоприемник такого излучения нечувствителен к другим видам из­ лучения. Контроль осуществляется по приему излучения в случае поломки объекта контроля либо по принципу отражения от этого объекта.

Контроль разрыва нити

Такой контроль требуется, например, в вязальной машине. Он основывается на эффекте генерирования колебаний в оптически свя­ занной цепи [22]. Схема устройства приведена на рис. 36. Если зату­ хание излучения, обусловленное контролируемой средой, становит­ ся равным усилению электронной цепи, то генерация колебаний становится неустойчивой. Чувствительность устройства (начало ге­ нерирования колебаний) соответствует изменению затухания на

79