Потребительские камеры не справляются! Реальный порог машинного зрения

На автоматизированных заводах машины полагаются на свои «глаза», чтобы идентифицировать детали и обнаружить дефекты. Задумывались ли вы когда-нибудь: смартфоны могут запечатлеть детали столь же мелкие, как поры кожи, а зеркальные камеры обеспечивают кинематографическое качество изображения. Так почему же заводы тратятся на «промышленные камеры»? Производители просто пытаются обмануть клиентов?

Ответ — нет. В промышленных условиях потребительские камеры подобны спринтеру, который тащит кирпичи. Хотя их основная функция — «фотосъемка», они просто не могут выдержать строгие требования заводских условий. Сегодня мы разберем 7 ключевых аспектов, чтобы объяснить, почему промышленные камеры служат квалифицированными «глазами» завода, в то время как потребительские камеры с треском выходят из строя после запуска в работу.

I. Производственные линии движутся так быстро, что чиханье означает пропущенную продукцию — потребительские камеры с трудом успевают даже за ними

Как быстро могут работать производственные линии? Линия розлива напитков может обрабатывать 3 бутылки в секунду; Линия сортировки электронных чипов может проходить 10 чипов в секунду. Пока вы чихаете, мимо камеры проносятся сотни товаров.

Системы машинного зрения требуют молниеносной скорости захвата: более 100 изображений с высоким разрешением в секунду, каждое из которых не имеет размытости при движении. А как насчет потребительских камер? Самый быстрый режим серийной съемки на смартфонах достигает максимальной скорости 20 кадров в секунду. После 10 секунд непрерывной съемки устройство перегревается и лагает, а при продолжении съемки может даже выйти из строя. Зеркальные камеры также поддерживают серийную съемку, но им требуется несколько секунд для восстановления после заполнения буфера. Производственные линии не ждут. К моменту восстановления камеры сотни компонентов уже остались непроверенными.

Промышленные камеры, напротив, подобны неутомимым рабочим лошадям. Они работают без перерыва 24/7. Съёмка 200 кадров в секунду — обычное дело, а некоторые скоростные модели достигают 1000 кадров в секунду. Например, на линии проверки автомобильных подшипников подшипники вращаются со скоростью 500 оборотов в секунду. Промышленная камера, снимающая со скоростью 300 кадров в секунду, может четко запечатлеть царапины на поверхности каждого шарикоподшипника. Смартфон записывал лишь размытое призрачное изображение пеленга, из-за чего шарики невозможно было даже сосчитать.

II. Съемка быстродвижущихся частей: бытовые камеры создают «искаженные формы»

Многие сценарии производственного контроля требуют захвата быстро движущихся частей: проверка запечатывания пакетов с приправой для лапши быстрого приготовления (15 единиц в секунду), проверка транспортировки мобильного экрана (скорость движения 1 м/с), проверка выравнивания этикеток для бутылок с лекарствами (8 бутылок в секунду). Эти детали движутся быстро, но при проверке обязательно отсутствие деформаций. Искаженное изображение приведет к тому, что система неправильно отметит хорошие детали как дефектные.

Вот где промышленные камеры раскрывают свою главную функцию:глобальный затвор. Он экспонирует каждый пиксель на матрице в один и тот же момент, замораживая движущиеся объекты, подобно снимку со вспышкой. Захваченные детали сохраняют четкие края и истинную геометрию. Даже для объектов, движущихся со скоростью 2 метра в секунду, искажений не происходит.

Напротив, потребительские камеры (смартфоны и зеркальные камеры) используютрольставни, который сканирует и отображает строки последовательно сверху вниз. Представьте себе, что вы подметаете метлой посылки на конвейерной ленте: к тому времени, как вы достигаете верхней половины коробки, коробка уже двинулась вперед. Полученные изображения страдают от растягивающего искажения (флаконы с лекарствами кажутся сплющенными и широкими) или сдвигового искажения (швы на упаковках с приправами превращаются в волнистые линии).

Один клиент ранее пытался использовать зеркальную камеру для съемки высокоскоростных электронных компонентов на конвейере. Захваченные резисторы оказались деформированными, и система ошибочно отклонила 90% квалифицированных резисторов как деформированные дефекты. В конечном итоге зеркальную камеру заменили промышленной камерой с глобальным затвором, в результате чего процент ложных отклонений снизился до 0,1%.

III. Фабрикам нужна «чистая правда», а потребительские камеры применяют косметические фильтры

Для смартфонов и зеркальных фотокамер основная цель — сделать снимки привлекательными — автоматическое сглаживание тона кожи, повышение насыщенности и резкость краев. Даже при съемке яблока устройство сотрет пятна и сделает красный цвет более глубоким. Однако заводской осмотр требует абсолютной аутентичности. Например, проверка паяных соединений печатных плат на наличие холодных паяных соединений толщиной 0,1 мм, обнаружение царапин размером 0,2 мм на упаковке пищевых продуктов или выявление сколов по краям размером 0,05 мм на планшетах.

Встроенные средства украшения потребительских камер плохо работают в заводских условиях: при проверке печатных плат функция автоматической заточки смартфонов искусственно заостряет нормальные края схемы и скрывает крошечные изломы схемы. При проверке упаковки шоколада автонасыщение зеркальной фотокамеры увеличивает слабые цветовые различия до нормальных тонов, что приводит к пропуску дефектных продуктов. При визуализации металлических деталей функция шумоподавления смартфона удаляет мелкие царапины на поверхности. Эти царапины могут впоследствии привести к ржавчине и выходу компонентов из строя.

Промышленные камеры действуют как честные записывающие устройства: без косметических фильтров, без автоматического шумоподавления, без настройки цвета. Данные их изображений достигаютТочность 12–16 бит, в то время как обычные смартфоны передают только 8-битное изображение. Для проверки дефектов поверхности нержавеющей стали промышленные камеры могут фиксировать царапины размером 0,03 мм, невидимые для человеческого глаза. Смартфон сделает поверхность металла гладкой и безупречной, скрыв все дефекты — это не фотография, а обманчивое изображение.

IV. Суровые заводские условия: потребительские камеры выходят из строя в течение 3 дней

Заводы – это не офисы с климат-контролем. В некоторых цехах температура достигает 50°C, например, на линиях нанесения покрытий на автомобили; на предприятиях пищевой промышленности холодовая цепь опускается до -20°C. Некоторые цеха заполнены пылью (цементные цеха), другие пропитаны масляным туманом (механические цеха). Сильные электромагнитные помехи также существуют вокруг двигателей и преобразователей частоты.

Бытовые камеры в таких условиях хрупки: смартфон, оставленный в мастерской при температуре 50°C на один час, перегревается, экраны выходят из строя и линзы запотевают. DSLR-камера, используемая в пыльной мастерской, через два дня накапливает пыль внутри объектива, оставляя белые пятна на отснятых изображениях. Даже в обычных мастерских по производству электроники электромагнитные помехи от двигателей могут испортить изображения на смартфоне и прервать передачу данных.

Промышленные камеры устроены как рабочие, носящие защитное снаряжение: модели для цехов с высокими температурами выдерживают экстремальные температуры в диапазоне от -40°C до 85°C и оснащены автоматическим противозапотеванием линз. Пыленепроницаемые промышленные камеры несутСтепень защиты IP67: полностью пыленепроницаемый и временно водонепроницаемый, оснащен пылезащитными крышками для линз. Камеры, установленные в мастерских с сильными электромагнитными помехами, оснащены электромагнитным экранированием, защищающим передачу данных от помех двигателя. В одной мастерской по производству автомобильных двигателей промышленная камера непрерывно эксплуатировалась в течение 3 лет в условиях масляного тумана, высокой температуры и вибрации без каких-либо поломок. Зеркальная камера, помещенная в идентичные условия, вышла из строя всего через 3 месяца.

V. Мгновенная передача данных: потребительские камеры работают медленно

Промышленные камеры не работают изолированно. Захваченные изображения должны быть немедленно отправлены на серверные системы, такие как ПК или шлюзы периферийных вычислений. Алгоритмы анализируют статус годности/неудачности детали в течение миллисекунд и соответствующим образом запускают роботизированную сортировку. Для этого требуется передача данных со сверхнизкой задержкой и без задержек.

Скорость передачи данных с потребительской камеры становится узким местом на производственных линиях: передача фотографии со смартфона с разрешением 100 Мп через Wi-Fi занимает 5 секунд; проводная передача по-прежнему требует 2 секунды. К моменту поступления данных станцию ​​осмотра уже прошли десятки деталей. Зеркальные камеры с интерфейсом USB 2.0 обеспечивают максимальную пропускную способность 30 МБ/с. Изображение промышленной камеры с разрешением 20 МП занимает 20 МБ, а съемка 10 кадров в секунду генерирует 200 МБ данных, что намного превышает емкость интерфейса зеркальной камеры.

Промышленные камеры используют специальные высокоскоростные интерфейсы:

• GigE (Гигабитный Ethernet): пропускная способность 125 МБ/с, достаточная для 6 кадров в секунду при разрешении 20 МП.
• USB 3.0: пропускная способность 500 МБ/с, поддержка 20 кадров в секунду для высокоскоростных камер.
• КоаXPress: Промышленный сверхскоростной интерфейс. Новейший стандарт CXP-12 достигает скорости 1,25 ГБ/с, передавая 60 изображений по 20 МП каждую секунду, что в три раза превышает пропускную способность потокового видео 4K.

Новая линия контроля энергетических батарей использует промышленные камеры CoaXPress для захвата 30 изображений электродного листа в секунду. Данные передаются в систему алгоритмов в режиме реального времени, обнаруживая точечные отверстия в течение 0,5 секунды. DSLR потребуется 1 секунда только для передачи одного кадра, и она не сможет идти в ногу со скоростью линии.

VI. Измерения на микрометровом уровне: потребительские «высокие пиксели» обманчивы

Многие люди полагают, что большее количество пикселей гарантирует более точные измерения. Если в смартфонах уже есть сенсоры на 100 МП, измерение размера 0,1 мм должно быть тривиальным. Однако при промышленном контроле большое количество пикселей ≠ высокая точность измерений.

Проведите проверку расстояния между следами печатной платы (требуемый допуск ±0,01 мм). Фотография смартфона с разрешением 100 МП может выглядеть четкой, но алгоритм сжимает данные изображения, объединяя несколько пикселей в один. Практическая точность измерения достигает всего 0,1 мм, чего недостаточно для обнаружения отклонений в 0,01 мм. Зеркальные камеры также могут похвастаться большим количеством пикселей, однако их объективы потребительского класса страдают от высоких краевых искажений. Следы цепей по краям рамы кажутся изогнутыми, что создает погрешности измерений до 0,05 мм, что не соответствует промышленным требованиям.

Промышленные камеры обеспечивают подлинную точность измерений: разрешение варьируется от нескольких сотен тысяч пикселей до сотен мегапикселей. В сочетании с линзами промышленного класса (искажение ≤0,1%) они обеспечивают измерение на микрометровом уровне. Например, промышленная камера 5 МП в сочетании стелецентрическая линзаобеспечивает точность измерения шага выводов чипа 0,001 мм (1 микрометр) — в 50 раз тоньше человеческого волоса (~50 мкм).

На заводе по производству полупроводников используется промышленная камера с разрешением 2 МП для точного измерения смещения выводов на 0,005 мм. Смартфон с разрешением 100 Мп не может даже четко определить передние края, не говоря уже о расчете значений смещения.

VII. Программируемые и управляемые: потребительские камеры представляют собой закрытые черные ящики

Системы машинного зрения в заводских цехах должны координироваться с другим оборудованием: запускать захват изображения при получении сигналов ПЛК, синхронизировать действия с роботизированными руками и удаленно регулировать параметры экспозиции. Для этого необходимы полностью управляемые камеры с программируемыми функциями.

Потребительские камеры (смартфоны и зеркалки), напротив, представляют собой закрытые черные ящики: функции камеры смартфона заблокированы операционной системой. Вы не можете программно контролировать, когда захватывать изображения или сколько кадров делать, не говоря уже о том, чтобы обеспечить связь с ПЛК. Хотя зеркалки предлагают частичное ручное управление, они не предоставляют открытый SDK (комплект разработки программного обеспечения). Они не могут быть встроены в автоматизированные системы и полагаются исключительно на ручное срабатывание затвора, что делает их совершенно непригодными для производственных линий.

Однако промышленные камеры служат открытыми программируемыми платформами: они поддерживают программирование SDK для пользовательской логики захвата (например, захват 3 кадров с интервалом 10 мс после получения сигнала ПЛК). Они поддерживают синхронный запуск, например одновременный захват несколькими камерами и синхронизированное стробирование с источниками света. Они поддерживают дистанционное управление, что позволяет инженерам регулировать время экспозиции камеры и работать в офисе, а не посещать мастерскую.

На одной автомобильной сборочной линии 10 промышленных камер проверяют различные участки кузова автомобиля. Благодаря синхронному срабатыванию все 10 камер снимают изображения в один и тот же момент. Собранные данные агрегируются для создания 3D-модели кузова автомобиля. Десять зеркалок не смогут синхронизировать съемку, не говоря уже о агрегировании данных.

Подведение итогов: Бытовые камеры снимают для людей; Промышленные камеры передают информацию машинам

Смартфоны и зеркальные фотокамеры созданы для создания эстетически приятных фотографий, доступных для просмотра человеком. Промышленные камеры созданы для предоставления точных данных для анализа машин. Хотя кажется, что оба «фотографируют», это принципиально разные инструменты.

Бытовые камеры отдают предпочтение привлекательному качеству изображения и простоте использования, однако они не могут выдерживать суровые заводские условия или соответствовать строгим требованиям к скорости и точности. В промышленных камерах приоритет отдается стабильности, надежности и управляемости. Они непрерывно работают в сложных условиях, фиксируют четкие изображения быстродвижущихся деталей, выполняют измерения размеров на микрометровом уровне и легко координируют свою работу с другим оборудованием.

Фабрики не просто тратят деньги вслепую. Строгим требованиям промышленного применения могут соответствовать только промышленные камеры. В следующий раз, когда вы увидите промышленную камеру в заводском цехе, имейте в виду: это не модернизированная потребительская камера. Это профессиональный инструмент, созданный для промышленных задач — он очень похож на экскаватор или семейный автомобиль. Оба являются транспортными средствами, но созданы для совершенно разных задач.