Báze znalostí: Postup při návrhu systému strojového vidění

Krok 1: Definování vizuální úlohy a požadavků

Nejprve přesně definujte, co má systém strojového vidění vyhodnocovat a za jakých podmínek:

• Rozhodněte, zda půjde například o polohování objektů, kontrolu jakosti, měření rozměrů nebo třeba čtení kódů.
• Stanovte požadovanou přesnost (např. nejmenší detekovatelnou vadu či toleranci měření) a rychlost procesu (počet inspekcí za minutu).
• Zohlednětetaké okolní podmínky ve výrobě: dostupné místo pro kameru, pohyb objektů (statický snímek vs. kontinuální pohyb), osvětlení prostředí a případné vibrace.

Tyto vstupní požadavky určují výběr vhodných komponent v dalších krocích.

Krok 2: Volba typu kamery a snímací metody

Na základě povahy úlohy zvolte odpovídající typ kamery a snímání:

• Plošná 2D kamera (area-scan): Snímá celý obraz naráz, vhodná pro běžné inspekce stacionárních či indexovaných objektů. Hikrobot nabízí širokou řadu průmyslových 2D kamer (např. série CA, CE, CH aj.) s vynikající kvalitou obrazu. Tyto kamery pokrývají rozlišení od 0,3 Mpx do 151 Mpx a podporují standardní rozhraní jako GigE Vision, USB3.0, 10GigE, Camera Link či CoaXPress.
• Řádková kamera (line-scan): Snímá po řádcích při pohybu výrobku. Hodí se ke kontrole kontinuálních materiálů (textil, papír) nebo válcových ploch. Například série line-scan kamer Hikrobot CL podporuje rozlišení 2K–16K pixelů a nabízí rozhraní GigE, CameraLink i CoaXPress pro vysokorychlostní přenos. Řádkové kamery umožňují skenovat povrch pohybujícího se produktu ve vysokém rozlišení, ale vyžadují synchronizovaný posun objektu.
• 3D kamera / stereo senzor: Pro úlohy vyžadující hloubkovou informaci (měření objemu, 3D inspekce, robotické navádění) zvažte 3D vidění. Hikrobot má v portfoliu také RGB-D inteligentní kameru, která kombinuje technologie ToF a duálního stereovidění a přímo poskytuje hloubkový obraz (RGB-D) ve vysoké snímkové frekvenci. Tyto systémy s vestavěnou AI dokáží např. přímo segmentovat objekt od pozadí a najdou uplatnění ve skladech, logistice i ve výrobě při komplexních kontrolách tvaru.
• Chytrá čtečka kódů: Pokud je cílem pouze čtení čárových či 2D kódů, vhodným řešením může být fixní čtečka kódů. Například ultrakompaktní Hikrobot ID2000 lze snadno zabudovat do linky (rozměry 46×25×38 mm) a díky vestavěnému osvětlení spolehlivě snímá 1D/2D i DPM kódy rychlostí až 45 kódů za sekundu. Čtečky tohoto typu mají optimalizované algoritmy dekódování a lze je nasadit tam, kde je potřeba rychle identifikovat výrobky podle kódů.
   

Krok 3: Výběr konkrétní kamery

Po zvolení typu kamery vyberte konkrétní model, který splní požadované technické parametry. Důležité je rozlišení snímače, které musí odpovídat velikosti detekovaných detailů. Vyšší rozlišení kamery umožní odhalit menší vady, ale zpracování větších obrazů může snižovat maximální rychlost snímání.

Hikrobot má v nabídce kamery od nízkých rozlišení 0,3 Mpx až po ultravelké 151 Mpx (série CH) pro nejnáročnější úlohy. Dále zvažte rychlost snímání (FPS). Např. kamery Hikrobot série CA pokrývají 0,3–6 Mpx a dosahují snímkové frekvence až 814 fps u nízkého rozlišení, což je vhodné pro velmi rychlé linky.

Dalším faktorem je technologie závěrky senzoru. Pro rychlý pohyb a eliminaci rozmazání preferujte globální závěrku (global shutter). Zohledněte také citlivost ve spektru: některé modely jsou dostupné ve verzi NIR (citlivé v blízké infračervené oblasti 750–1100 nm) pro kontrolu pomocí IR osvětlení.

Neméně podstatná je volba datového rozhraní kamery. Rozhraní GigE Vision (Gigabit Ethernet) je velmi rozšířené a umožňuje délku kabelu až 100 m (GigE kamery Hikrobot jako série CI jsou kompatibilní se standardem GigE Vision). Pro vysokorychlostní nebo vysokorozlišovací kamery může být nutné rozhraní s větší propustností, jako 10GigE, USB3.0, případně CoaXPress či Camera Link u specializovaných aplikací.

U vícekamerového systému ověřte, zda vybraný model i rozhraní umožňují časovou synchronizaci kamer (např. hardware trigger vstupy nebo podpora synchronního snímání více kamer). Také se rozhodněte mezi monochromatickou nebo barevnou kamerou: černobílý snímač mívá vyšší citlivost a rozlišení detailů, barevný je nutný pokud aplikace vyhodnocuje barvu objektů.

Krok 4: Výběr objektivu a optiky

Kvalitní objektiv je pro ostrý obraz stejně důležitý jako kamera. Zvolte ohniskovou vzdálenost objektivu podle požadovaného zorného pole a pracovní vzdálenosti. Širší záběr získáte s kratším ohniskem, pro detailní záběry z větší dálky použijte teleobjektiv. Dbejte na to, aby rozlišení objektivu odpovídalo rozlišení kamery (existují tzv. „megapixelové“ objektivy konstruované pro vysoké rozlišení senzoru).

Hikrobot vyvinul vlastní řadu FA objektivů pro strojové vidění, které jsou navrženy s důrazem na vysokou ostrost, konzistentní kresbu od středu ke krajům a minimální zkreslení při zachování příznivé ceny. Tyto průmyslové objektivy mají robustní konstrukci a udržují vysokou relativní světelnost až k okrajům snímku, což zajišťuje rovnoměrné osvětlení obrazu. Při výběru si pohlídejte kompatibilitu s upevněním kamery: většina průmyslových kamer Hikrobot používá standardní závit C-Mount nebo CS-Mount.

Pro speciální účely, jako je velmi přesné měření rozměrů, zvažte také použití telecentrického objektivu, který eliminuje perspektivní zkreslení, pokud to aplikace vyžaduje. Součástí optické sestavy mohou být i filtry (např. polarizační pro potlačení odlesků nebo barevné/IR filtry ladící s použitým osvětlením). Tyto doplňky pomáhají zvýraznit požadované detaily a potlačit rušivé vlivy prostředí.
 

Krok 5: Návrh vhodného osvětlení

Správné osvětlení scény je jednou z největších výzev v oblasti strojového vidění. Je klíčové pro stabilní fungování vidění, protože ovlivňuje kontrast a čitelnost hledaných znaků či vad.

Nejprve zvolte typ osvětlení odpovídající inspekci: přímé přední osvětlení (např. prstencové světlo) pro rovnoměrné nasvícení objektu, boční šikmé osvětlení pro zdůraznění reliéfu povrchu (např. škrábanců), zadní podvětlení (backlight) pro získání siluety nebo koaxiální osvětlení pro lesklé plochy, které eliminuje odlesky směrem do kamery.

Dále vyberte vlnovou délku. Často se používá červené nebo bílé světlo, pro určité kontrasty může být vhodné i modré, zelené či infračervené osvětlení. Výrobce Hikrobot má v portfoliu ucelenou řadu průmyslových LED světel pro strojové vidění, zahrnující prstencové, lištové, koaxiální i plošné zdroje. Tato osvětlení se vyznačují vysokým světelným výkonem (intenzita až jednotky milionů luxů) a vynikající rovnoměrností, což zajišťuje konzistentní kvalitu obrazu. K dispozici jsou různé velikosti a provedení pro snadnou integraci do stroje. Lze tak nasvítit malé detaily i rozsáhlou scénu.

Při návrhu osvětlení myslete i na řízení intenzity: ideální je světlo stmívatelné nebo řízené zábleskově (strobe), aby bylo možné synchronizovat jeho pulz s expozicí kamery a dosáhnout tak vysokého jasu bez rozmazání pohybu. K tomu slouží specializované kontroléry osvětlení. Hikrobot nabízí např. řady MV-LE100/200, které umožňují analogové či digitální řízení výkonu LED a snadné propojení s kamerovým systémem. Správně navržené osvětlení eliminuje vliv okolního prostředí a výrazně zvyšuje spolehlivost detekce požadovaných znaků či vad.

Krok 6: Výběr zpracovatelské platformy (chytrá kamera vs. externí kontrolér)

Zvolte architekturu systému, která nejlépe vyhovuje složitosti úlohy. Pro jednodušší aplikace s jednou kamerou může být ideálním řešením smart kamera, tedy inteligentní kamera s vestavěným procesorem, která samostatně provádí veškeré zpracování obrazu. Hikrobot nabízí chytré kamery řady SC: kompaktní SC3000 jako základní vizuální senzor a výkonnější modely SC5000X a SC6000 pro náročnější úlohy.

Například SC5000X má integrovaný výpočetní modul s bohatou sadou vestavěných algoritmů (160+ vizuálních funkcí) a modulární konstrukci pro flexibilní montáž. Nejpokročilejší SC6000 navíc obsahuje akcelerátory pro umělou inteligenci a nabízí přes 140 předpřipravených algoritmů vidění i podporu více než 30 průmyslových komunikačních protokolů. Smart kamera tedy zvládne vše od snímání přes vyhodnocení až po komunikaci s linkou v jednom kompaktním zařízení. Tím odpadá nutnost separátního PC a zjednodušuje se kabeláž.

Pro složitější systémy (více kamer, vyšší objemy dat nebo náročné algoritmy) je vhodné sáhnout po externím kontroléru či průmyslovém PC. Hikrobot dodává výkonné vision kontroléry řady VC3000/VC5000, což jsou průmyslové počítače optimalizované pro zpracování obrazu. Tyto kontroléry disponují špičkovými vícejádrovými CPU Intel (např. 12. generace Core i7) pro vysoký výpočetní výkon a jsou vybaveny množstvím rozhraní pro připojení kamer i periferií.

Tyto kontroléry podporují připojení více GigE kamer současně (typicky 4–6 portů Gigabit Ethernet) a poskytují bohatou sadu I/O: až 24 izolovaných digitálních vstupů/výstupů s volitelnou logikou NPN/PNP. Integrované výstupy pro řízení osvětlení (např. 4 kanály po 24 V) umožňují přímé napájení a blikání LED světel synchronně se snímáním.

Výhodou dedikovaného kontroléru je vysoký výkon pro běh pokročilých algoritmů v reálném čase a možnost snadno rozšířit systém o další kamery či periferie. Rozhodnutí mezi chytrou kamerou a kontrolérem tedy závisí na komplexitě úlohy: jednoruchá inspekce jednou kamerou se dá řešit elegantně smart kamerou, zatímco rozsáhlé inspekční stanoviště s více kamerami a náročnými výpočty vyžaduje centrální výkonný kontrolér.

Krok 7: Návrh softwaru a algoritmů zpracování obrazu

Po výběru hardware následuje realizace softwarového řešení vidění. Pro zařízení Hikrobot je k dispozici jednotná platforma Vision Master (VM). Software pro strojové vidění obsahuje bohatou knihovnu funkčních bloků pro analýzu obrazu. VM umožňuje intuitivní grafickou konfiguraci inspekčních úloh i programové API pro pokročilé uživatele.

Přímo v prostředí Vision Master je připraveno 1000+ ověřených operátorů (funkcí) pro zpracování obrazu, které pokrývají úlohy jako přesné polohování a měření objektů, rozpoznávání textů a kódů, kontrolu přítomnosti součástek, porovnávání vzhledu či detekci defektů povrchu. Tyto funkce zahrnují mimo jiné nástroje pro vyhledávání tvarů (pattern matching), měření rozměrů, čtení 1D/2D kódů, OCR (optické rozpoznávání znaků) a mnoho filtrů a předzpracování obrazu.

VM platforma dále integruje moderní algoritmy strojového učení: obsahuje vestavěné moduly hlubokého učení pro klasifikaci, detekci objektů, segmentaci či OCR na základě neuronových sítí. Uživatel může v prostředí VM provést anotaci snímků, natrénovat model hlubokého učení na vlastních datech a nasadit jej přímo do inspekční linky, to vše bez nutnosti opustit platformu.

Vision Master podporuje různě úrovně integrace: lze vytvořit řešení kompletně pomocí grafického rozhraní (vhodné pro rychlou tvorbu prototypu), nebo využít SDK a volat funkce VM z vlastního programu pro hlubší integraci do nadřazeného systému. VM také umožňuje vytvářet vlastní uživatelské nástroje (tzv. operátory) a začlenit je do knihovny, což se hodí pro specifické algoritmy.

Pro aplikace zaměřené na čtení kódů nabízí Hikrobot i specializovanou Code Platform. Ta obsahuje optimalizované algoritmy pro dekódování 1D/2D symbolů a snadné propojení s databázemi logistických systémů. Ve většině případů však vystačí standardní funkce Vision Masteru, neboť zahrnují i robustní čtečky čárových a datamatrix kódů včetně verifikace kvality.

Při vývoji algoritmů vždy pracujte s dostatečně reprezentativní sadou vzorků (dobrých i špatných dílů), abyste mohli nástroje náležitě vyladit a nastavit prahy pro spolehlivou detekci. Výsledný inspekční program je možné nasadit buď přímo do chytré kamery, pokud ji používáte (ta zpravidla obsahuje runtime běžící některou verzi VM) nebo na zvolený kontrolér/PC s nainstalovaným softwarem Vision Master.

Krok 8: Integrace do výrobní linky, testování a doladění

V závěrečné fázi propojíte systém vidění s okolním provozem a ověříte jeho funkčnost:

• Nainstalujte kameru nebo kamery do výrobní linky v optimální poloze a robustně je upevněte.
• Zapojte veškerou kabeláž k řídicímu počítači nebo síti, napájecí kabely a kabely k osvětlovacím jednotkám.
• Pokud používáte externí vision kontrolér Hikrobot, připojte kamery přímo do jeho gigabitových portů a případně využijte vestavěné I/O pro vstupy/výstupy. Kontroléry i chytré kamery Hikrobot umožňují snadné propojení s programovatelnými automaty a dalšími systémy a podporují více než 30 průmyslových komunikačních protokolů (EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP a další) pro přenos výsledků a statistiky do nadřazeného systému.
• synchronizujte systém vidění s chodem linky: typicky je potřeba zajistit spouštění snímání v pravý okamžik (např. pomocí čidla a signálu trigger do kamery nebo kontroléru). Využijte digitální I/O pro příjem trigger signálu a pro výstup výsledků (např. digitální výstup „OK/NOK“ do PLC pro vytřídění vadného kusu).
• Vision Master platforma zjednodušuje integraci, protože má integrovanou správu externích zařízení, takže přímo z inspekčního programu lze ovládat kamery, nastavovat intenzitu připojených světel a ovládat výstupní signály. Veškerou komunikaci a časování tak lze řídit centrálně z jednoho softwaru.

Jakmile je systém fyzicky nainstalován a propojen, proveďte důkladné testování a kalibraci:

• Ověřte, že osvětlení a optika jsou správně nastaveny, případně dolaďte zaostření objektivu, clonu či úhel světel tak, aby byl obraz ostrý a s optimálním kontrastem sledovaných rysů.
• Poté testujte softwarové nástroje na reálných výrobcích: nechte systém zpracovat dostatečný počet dobrých i vadných kusů a sledujte, zda spolehlivě rozeznává požadované vlastnosti. Pokud dochází k falešným nálezům či opomenutým vadám, upravte parametry algoritmů (prahové hodnoty, oblasti zájmu, předzpracování obrazu apod.) v Vision Masteru a test opakujte.
• U měřicích úloh proveďte kalibraci obrazu do skutečných jednotek (např. pomocí kalibrační desky a nástrojů ve Vision Master), aby výsledky odpovídaly rozměrům v mm a kompenzovalo se zkreslení optiky.
• Po finálním doladění systému zajistěte, aby výsledky inspekce byly správně předávány dál: ať už do PLC (pro vyřazení dílu, zastavení stroje) nebo do databáze s evidencí výsledků.
• Nasazený systém sledujte v počáteční fázi provozu a ověřte jeho stabilitu v čase (např. vliv zahřívání osvětlení, zašpinění optiky).

Tímto pečlivým postupem zajistíte, že navržený systém strojového vidění bude spolehlivě fungovat v reálném provozu a výrazně přispěje ke zlepšení kontroly kvality či efektivity výroby.