Como escolher a iluminação certa para aplicações de visão de máquina

Guia do Especialista

Porque a iluminação é importante em aplicações de visão de máquinaSistemas de visão de máquina criam imagens através da análise da luz

refletida a partir de um objeto e não por meio da análise do objeto em si.

Por isso, é fundamental entender como a luz vai refletir a partir de uma

peça em produção que está sendo inspecionada. Para entender isso, é

preciso saber o material do qual o objeto é feito, seu tamanho, forma e

acabamento. A cor do objeto também é importante, mesmo que o sistema

de inspeção seja monocromático (a parte vermelha irá refletir de forma

diferente de uma parte rosa). Todas estas características afetam a maneira

como a luz é refletida e podem representar desafios na criação de uma

boa imagem. Encontrar a fonte de luz certa pode pegar um aplicativo

aparentemente difícil e simplificá-lo.

A iluminação também pode afetar o quão fácil é para a análise de

computador produzir uma imagem viável. Uma boa imagem é o resultado

da focagem e da iluminação adequada. As imagens com contraste pobre

e iluminação irregular exigem um esforço muito maior para o computador

de imagem, o qual, finalmente, aumenta o tempo de processamento e

pode aumentar o número de análises da imagem incorretas. Geralmente

as imagens de alto contraste são mais fáceis de processar. Considere a

imagem mostrada acima (Figura 1). Um bom sistema de processamento de

imagem é capaz de reconhecer os sinais positivos em ambas as imagens,

no entanto, a repetição do reconhecimento do topo da imagem será mais

baixo devido ao baixo contraste desta imagem em comparação com o

outro na parte inferior. Se a iluminação está devidamente controlada, as

“O sistema de inspeção automatizado mais sofisticado do mundo não pode

trabalhar sem a iluminação adequada.”– Citação de machinevisiononline.org

imagens devem ser tratadas pelo sistema de visão de máquina facilmente e

com um elevado grau de confiabilidade / repetibilidade.

Uma vez que as imagens são

criadas quando a luz reflete

de um objeto, a luz que incide

sobre ele e é refletida para a

câmera é vista como sendo

brilhante. Se a luz é refletida

para longe da câmera (ou

é absorvida pelo objeto), o

objeto é visto como escuro.

Um sistema de visão de

máquina normalmente enfoca

as diferenças entre as áreas

claras e escuras para fazer

conclusões sobre bordas,

texturas ou marcas que

são parâmetros críticos

na operação de inspeção.

Tipos de Iluminação

O comprimento de onda da luz que é utilizada também pode ser uma

variável importante no processo de inspeção. Com a iluminação pela luz

de uma determinada cor, cores contrastantes serão mais fáceis de separar

porque aparecerão escuras na imagem. Esta técnica pode ser usada para

melhorar os códigos de datas em tampas dos frascos por exemplo.

A luz infravermelha pode ser usada para destacar arranhões no produto

e a luz ultravioleta causará fluorescência para a tinta ou cola (note que

os filtros devem ser utilizados na câmera se luzes infravermelhas ou de

ultravioleta são utilizadas de modo que a fluorescência do objeto possa

ser visualizada, mas não a própria luz).

Figura 1: Alto contraste ajuda o sistema de visão a fornecer resultados repetíveis.

Luz difusa, que pode ser produzida a partir do brilho da luz colimada

através de um vidro fosco, produz uma iluminação mais suave e uniforme,

o que evita ocasionar ofuscamento ou sombras ao custo de reduzir a

intensidade da luz.

Outra consideração ao inspecionar peças é a sua velocidade de movimento

enquanto é fotografada, bem como o tempo de exposição da câmera. Estes

fatores afetam a escolha da fonte de luz.

Simplificar a aplicação começa com a definição dos objetivos e se

concentrar no que é importante para a inspeção. Uma vez que os objetivos

são entendidos, você então pode se concentrar em escolher a fonte de luz

que destaca as características ou defeitos que estão sendo procurados e

anular os elementos indesejados da imagem.

Luz colimada, em que os raios de luz são alinhados de modo a estarem

sempre em paralelo, é boa para produzir imagens nítidas (Figura 3).

Figura 2: A luz infravermelha através de um filtro destaca hematomas na fruta.

Figura 3: raios de luz colimada criam imagens mais nítidas.

Figura 4a: Lâmpada com iluminação direta a partir de um anel de luz. O anel de luz é refletido no vidro.

Figura 4b: Lâmpada com iluminação de fundo. Usando uma luz traseira, todo o brilho é evitado e as características internas podem ser inspecionadas claramente.

Lente do condensador

Raios de luz difusa Raios de luz colimada

Técnicas de IluminaçãoA escolha da técnica de iluminação correta pode percorrer um longo

caminho para lidar com as questões específicas de uma determinada

aplicação. Muitas opções estão disponíveis e cada uma tem prós e contras

para usos específicos. Existem cinco técnicas básicas para a iluminação

de peças a serem inspecionadas: iluminação de fundo, iluminação direta,

iluminação estruturada e iluminação difusa on ou off-axis.

A iluminação de fundo cria uma silhueta para acentuar a forma de uma

peça e permitir a sua medição, mas obscurece totalmente todos os detalhes

da superfície. Ela cria o máximo de contraste, produzindo uma imagem que

é na maior parte preto no branco. Aplicações de inspeção podem usar esta

técnica para fazer medições dimensionais, mas seria inútil para a inspeção

de superfície. Um desafio para esta técnica é a dificuldade de fixação das

peças. Qualquer dispositivo elétrico mecânico que deve segurar a peça

que está sendo inspecionada poderia obstruir a luz de volta. Considere o

exemplo a seguir.

Figura 5a: Uma esponja iluminada por iluminação direta com um alto ângulo de incidência.

Figura 5b: Ao mudar a posição da fonte de luz, o brilho é reduzido e a textura da superfície da esponja é exposta para inspeção.

A segunda técnica de iluminação é a iluminação frontal direta. Normalmente

a luz está iluminando a partir de um ângulo ligeiramente fora do centro.

É fácil de configurar como uma fonte de iluminação e ela pode criar um

excelente contraste, no entanto também pode criar sombras e pode produzir

brilho dependendo da superfície da peça que está sendo inspecionada.

Criar sombras pode ser desejável para melhorar o contraste onde as

imagens de baixo contraste são um problema. E a iluminação direta pode

ser usada para congelar o movimento com strobes. Para um exemplo do

efeito de mover a fonte de luz, considere as seguintes imagens.

Figura 6a: A linha de luz, refletindo de uma superfície completamente plana, aparecerá perfeitamente em linha reta.

Figura 6b: Se a superfície não é perfeitamente plana a reflexão produzida pela luz que salta para fora da superfície não será perfeitamente linear. Neste caso, há uma depressão na superfície.

Se sombras devem ser minimizadas, mais do que uma luz direta podem

ser usadas. Para este efeito alguns sistemas utilizam uma luz de anel, que

rodeia completamente a parte a ser visualizada.

Outra técnica de iluminação é a iluminação estruturada. A iluminação

estruturada faz uso de um padrão de luz conhecida (normalmente um

plano de luz criando uma linha), que é utilizada para obter informação

tridimensional. Tipicamente as fontes de luz altamente colimada são

utilizadas, tais como os lasers ou luzes de linha de fibra óptica. Esta técnica

é uma maneira barata para medir a profundidade e altura de superfícies

contínuas e é frequentemente utilizada quando nem a fonte de luz ou

a superfície estão se movendo. Ela também pode mostrar detalhes da

superfície em peças de baixo contraste. Deve certificar-se que a peça a ser

medida não absorve a luz, no entanto, uma vez que a reflexão é necessária

para o efeito da iluminação sobre a peça a ser medida. O efeito de uma

fonte de luz linear, sendo refletida das superfícies perfeitamente lisas e não

contínuas é mostrado nas figuras 4a e 4b.

Espelho semi-prateado

A iluminação difusa on-axis, também conhecida como DOAL, permite que

a luz brilhe diretamente em uma peça em linha com a câmera sem a fonte

de luz ficar no caminho da câmera. Isto é conseguido usando um espelho

50% prateado, de modo a refletir a luz diretamente para a peça. A câmera vê

através do espelho para captar a imagem da peça que está sendo iluminada.

Figura 7b: O mesmo conector visto com iluminação difusa on-axis (DOAL).

Figura 7a: Um conector visto em luz ambiente direta vinda de um lado.

Figura 8a: Uma lata de bebida iluminada por iluminação direta, neste caso um anel de luz, reflete o brilho para a câmera.

Figura 8b: A mesma lata iluminada por iluminação difusa off-axis fornece uma clara imagem das marcações na superfície.

Aplicações de iluminação difusa on-axis incluem a detecção de falhas em

superfícies planas brilhantes ou inspecionar o interior de cavidades. Como

as luzes Doal perdem intensidade através do espelho prateado, pode ser

aconselhável a utilização de uma fonte de luz adicional para melhorar a

iluminação ou a consistência de luz sobre o objeto.

As figuras 5a e 5b mostram como usar DOAL pode eliminar o brilho

refletido, tornando mais fácil inspecionar as características da superfície

em algumas aplicações.

A última técnica de iluminação explicada aqui é a iluminação difusa off-

axis, também conhecida como iluminação “dia nublado” ou luz de cúpula.

Com esta técnica a luz não se reflete diretamente sobre a peça, mas

primeiro em uma superfície difusa e então é “devolvida” para a peça.

A técnica difusa off-axis anula sombras como se estivesse olhando para

algo em um dia nublado. Ela também evita a criação de hot spots ou

brilho que podem causar problemas em aplicações de inspeção de peças.

Quando uma luz de cúpula é usada onde a câmera dispara através de um

furo na cúpula refletora pode haver um ponto morto no centro da imagem.

Portanto, quando um refletor é usado, pode ser vantajoso adicionar uma

fonte DOAL para preencher o ponto morto.

Para aplicações que estão com restrições de espaço, luzes de cúpulas

planas estão disponíveis para colocar entre a câmera e a peça e que

produzem resultados semelhantes às curvas.

Figura 9a: Imagem tirada de uma peça móvel com iluminação de luz estroboscópica.

Figura 9b: Imagem tirada de uma peça móvel com iluminação contínua.

Sempre ativa ou estroboscópicaIluminação em aplicações de visão de máquina são sempre ativas ou

estroboscópicas. Por uma luz estroboscópica pode-se obter um aumento

na intensidade e a fonte de luz pode durar mais tempo. Mais útil é a

capacidade de parar o movimento. Mas a estroboscópica precisa ser

controlada. O tempo deve ser coordenado precisamente com a aquisição

de imagem ou as imagens podem variar em intensidade. Há também o

fator humano a considerar quando se utiliza iluminação estroboscópica.

Luzes piscando podem causar convulsões ou dores de cabeça quando

vistas por algumas pessoas.

Na concepção de sistemas de visão de máquinas é importante considerar

a influência da luz ambiente na área onde a máquina será instalada. A

luz que serve para iluminar a peça precisa ser brilhante o suficiente para

sobrepujar qualquer luz ambiente que brilha sobre ela para que o efeito

pretendido de iluminação especial do sistema de inspeção seja realizado. A

luz ambiente pode causar ofuscamento adicional sobre peças. Ela também

pode mudar dependendo da posição do operador, da hora do dia, do clima

e das estações do ano. Todas estas questões precisam ser consideradas

na escolha da fonte de luz do sistema de inspeção e do projeto de layout

físico da máquina.

Fontes de IluminaçãoUm tipo de fonte de luz são as lâmpadas halógenas. Estas são boas para

aplicações onde a iluminação muito brilhante é necessária—muito faróis

de automóveis novos são de halogênio—mas elas são limitadas pelo fato

de que não podem ser estroboscópicas, tendem a aquecer muito e perdem

intensidade ao longo do tempo. Se este tipo de luz é para ser utilizada

para uma aplicação de controle, seria vantajoso executá-la em 80% da

sua potência máxima para prolongar a sua vida, mantendo-se a tensão

constante para evitar mudanças de cor e utilizando fibras ópticas para

permitir a montagem da lâmpada remotamente se a aplicação é sensível

ao calor produzido pelo halogênio.

Lâmpadas incandescentes são outra fonte possível. Estas lâmpadas

são baratas e prontamente disponíveis, mas elas não podem ser

estroboscópicas, pois geram calor e perdem intensidade ligeiramente ao

longo do tempo.

Fontes luminosas fluorescentes são relativamente baratas. Elas estão

disponíveis em várias formas e tamanhos e fornecem luz difusa, minimizando

o brilho. Os fatores limitantes aqui são que elas não podem ser

estroboscópicas, se degradam com o tempo e é difícil para escurecê-las.

Lâmpadas fluorescentes também oscilam devido à freqüência da fonte

de alimentação AC, o que pode afetar a qualidade da imagem de

aplicações de inspeção de visão. Usar balastros de alta frequência

pode ajudar a reduzir a quantidade de oscilação, mas não pode

eliminá-la completamente.

Os lasers são fontes luminosas altamente colimadas que possuem alta

intensidade, o que lhes permite ser montadas a uma distância do objeto a

ser inspecionado. Um tipo especial de laser, chamado de laser diodo pode

ser estroboscópico. Lasers são muitas vezes utilizados para fazer medições

de distâncias, por vezes em três dimensões, mas podem não ser capazes

de altas precisões. Lasers são tradicionalmente muito caros e exigem

precauções especiais de segurança, uma vez que apresentam potenciais

riscos de segurança. Fibra óptica pode fornecer uma opção mais segura

para fornecer luz colimada se a aplicação assim exige.

Como a luz se destaca

Tipo Estroboscópico Custo Intensidade Vida Calor

Halógena Ruim Razoável Bom Ruim Ruim

Incandescente Ruim Bom Razoável Ruim Ruim

Fluorescente Ruim Bom Ruim Razoável Razoável

Laser Bom Ruim Bom Bom Bom

Xenon Bom Ruim Bom Ruim Ruim

LED Bom Razoável Bom Bom Bom

Muitos sistemas de efeito estroboscópico mais velhos empregam luzes de

xenônio. O xénon é ideal para estroboscópicos porque é capaz de dar alta

intensidade durante um curto período de tempo, criando assim a impressão

de movimento parado. Mas a intensidade do estroboscópio de xénon

diminui ao longo do tempo e são raramente usados hoje.

A melhor alternativa é a utilização de díodos emissores de luz (LEDs).

Estas fontes são as mais comuns para aplicações de visão de máquina

hoje. Elas duram um tempo muito longo, superior a 10000 horas e podem

ser deixadas estroboscópicas ou continuamente sem problemas de

aquecimento. LEDs também são muito seguros de usar, são eficientes e

você pode obtê-los em praticamente qualquer cor ou comprimento de onda

específico. Enquanto os primeiros LEDs tiveram intensidade limitada, LEDs

modernos podem ser muito brilhantes (considere como muitos carros novos

estão usando-os para a iluminação exterior).

O gráfico a seguir compara as diferentes alternativas de fonte de luz

quanto à sua adequação para diferentes aplicações.

Iluminação Integrada Usuários de visão de máquina têm a opção de adquirir um sistema que

inclui iluminação integrada. Iluminação integrada simplifica a configuração

usada para destacar partes específicas ou recursos sem a necessidade de

adquirir, instalar e alimentar iluminação adicional. Alguns sistemas de visão

com iluminação integrada proporcionam a vantagem adicional de utilização

de software para controlar a intensidade e o estroboscópico da luz sem

a necessidade de equipamento adicional. Como não há necessidade de

iluminação externa e alimentação de visão, os sistemas com iluminação

integrada são mais fáceis de instalar e de utilizar em espaços difíceis de

alcançar na linha de produção. Eles também podem ser mais rentáveis.

SumárioHá muitas opções de iluminação disponíveis e muitas maneiras diferentes

de construir e orientar o sistema de visão. Escolher a iluminação certa

pode fazer uma diferença significativa na produtividade de sua máquina.

A primeira coisa que deve ser feita quando se planeja um novo sistema

de inspeção automatizado é compreender a peça que será inspecionada

—o que precisa ser aprendido por verificá-la, seu acabamento superficial,

sua cor, etc. É também crítico compreender o ambiente de produção.

Em seguida analise os prós e contras de várias fontes de luz. Depois de

selecionar a iluminação certa a próxima decisão é posicionar a fonte

de luz para a eficácia máxima. A combinação da fonte de iluminação

e como ela é colocada respectiva à peça e da câmera pode negar

ou acentuar as características adequadamente para garantir que imagens

boas e consistentes são produzidas para atender os requisitos da

aplicação de inspeção. Um especialista em visão de máquina pode

ajudar a determinar a melhor iluminação e opções de posicionamento

de luz para sua aplicação.

AméricasEstados Unidos, Leste +1 508 650 3000Estados Unidos, Oeste +1 650 969 8412Estados Unidos, Sul +1 615 844 6158Estados Unidos, Detroit +1 248 668 5100Estados Unidos, Chicago +1 630 649 6300Canadá +1 905 634 2726México +52 81 5030 7258América Central +52 81 5030 7258América do Sul +1 909 247 0445Brasil +55 47 8804 0140

EuropaÁustria +43 1 23060 3430Bélgica +32 2 8080 692França +33 1 4777 1550Alemanha +49 721 6639 0Hungria +36 1 501 0650Irlanda +353 1 825 4420Itália +39 02 6747 1200Holanda +31 208 080 377Polônia +48 71 776 0752Espanha +34 93 445 67 78 Suécia +46 21 14 55 88

Suíça +41 71 313 06 05 Turquia +90 212 306 3120Reino Unido +44 1327 856 040

ÁsiaChina +86 21 5050 9922Índia +9120 4014 7840Japão +81 3 5977 5400Coreia +82 2 539 9047Cingapura +65 632 55 700Taiwan +886 3 578 0060

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