Nasazení systémů strojového vidění v průmyslu s sebou přináší řadu praktických technických výzev. Níže uvádíme přehled nejčastějších problémů a způsobů, jak se v praxi řeší.
Špatné osvětlení
PROBLÉM: Nedostatečné nebo nekonzistentní osvětlení je nejčastější příčinou selhání systémů strojového vidění Ani pokročilá kamera a software nedokážou kompenzovat špatné osvětlení. Při slabém či proměnlivém osvitu klesá kontrast důležitých rysů na snímaném objektu a naopak vzniká nežádoucí šum v obraze. Nevhodně zvolené osvětlení také může způsobit odlesky nebo vrhat stíny zakrývající podstatné detaily.
ŘEŠENÍ: Správný návrh osvětlení tvoří až 80 % úspěchu aplikace strojového vidění, a proto se mu věnuje velká péče. V praxi se klade důraz na stabilní, řízené osvětlení scény. Cílem je maximalizovat kontrast požadovaných prvků a potlačit vše ostatní. To zahrnuje výběr vhodné techniky osvitu dle povrchu a tvaru objektu. Například zadní podsvícení pro získání ostrého siluetového kontrastu, boční šikmé osvětlení pro zvýraznění hran a reliéfu, nebo difuzní osvětlení, které z více směrů rovnoměrně osvítí lesklé zakřivené povrchy a eliminuje ostré odlesky.
Klíčová je konzistence osvitu, tedy eliminace vlivu okolního světla (např. denního či blikání zářivek) použitím stínění a stabilních průmyslových LED světel. Pokud je potřeba velmi krátký expoziční čas (např. kvůli pohybu objektů), využívají se záblesková světla (stroboskopy), která intenzivním krátkým pulsem osvítí scénu. Tím se zmrazí obraz i při rychlém pohybu, ovšem vyžaduje to synchronizaci světla se snímáním.
Nízký kontrast a rušivé pozadí
PROBLÉM: I při správně nastaveném osvětlení může nastat problém, pokud není dostatečný kontrast mezi kontrolovaným objektem a jeho okolím. Když má výrobek podobnou barvu či jas jako jeho pozadí, kamera obtížně rozliší hrany a detaily objektu. Příkladem může být světle šedý díl na světle šedém pásu. Obraz splývá a standardní zpracování selhává. Algoritmy může mást také komplexní či vzorované pozadí.
ŘEŠENÍ: Klíčem je zvýšení kontrastu mezi cílovým předmětem a jeho okolím. V praxi se volí takové osvětlení a uspořádání, aby se objekt maximálně „odlepil“ od pozadí. Například zadní osvětlení vytvoří siluetu objektu vůči tmavému pozadí a zaručí maximální kontrast hran.
Pokud nelze změnit pozadí samotné, pomáhají optické filtry a speciální světla: použití úzce spektrálního osvitu a odpovídajícího barevného filtru může potlačit vliv barevného pozadí a vyzdvihnout objekt. Pro zvýraznění rozdílů se používá i neviditelné spektrum. Například infračervené osvětlení odhalí rozdíly materiálů nebo povrchů, které ve viditelném světle splývají.
Pokud má kontrolovaný produkt jiné teplotní vlastnosti než pozadí, osvědčuje se termální vidění. Termokamery dokáží spolehlivě rozlišit objekt podle teploty tam, kde běžná kamera selhává kvůli stejným barvám. Metoda dává smysl např. při detekci světlých gumových výrobků na světlém dopravníku, kdy využívá zbytkové teplo produktů z výroby oproti chladnějšímu pásu.
Odlesky a reflexní povrchy
PROBLÉM: Lesklé a reflexní povrchy představují zvláštní problém. Pokud světlo dopadne na hladký lesklý díl pod nevhodným úhlem, odrazí se přímo do objektivu kamery a způsobí odlesk, tedy přesvětlenou „bledou“ oblast v obraze. Tím dochází k zakrytí textur či hran v dané oblasti. Kamera místo detailů v daném místě vidí jen saturovanou záři. Typicky k tomu dochází, když se použije přímé prstencové osvětlení z okolí objektivu na lesklý materiál. Kromě odlesků mohou lesklé povrchy způsobovat i vícenásobné odrazy v optice, které rovněž snižují kvalitu snímku.
ŘEŠENÍ: Hlavní strategií je řízená geometrie osvětlení tak, aby se odraz nedostal do kamery. Prakticky se to řeší změnou úhlu: místo přímého osvitu z osy objektivu se volí šikmé osvětlení. Zdroje světla se například umístí pod takovým úhlem, aby se odlesk od lesklého povrchu odrazil mimo zorné pole kamery. Pokud to aplikace dovolí, velmi účinné je dome difuzní osvětlení, které osvítí objekt rovnoměrně ze všech stran a eliminuje ostré odrazy. Lesklý předmět pak nemá jediný zrcadlový odlesk, ale jen rovnoměrný slabý lesk.
Další pomůckou jsou polarizační filtry. Polarizované světlo a filtr na kameře dokáží výrazně potlačit odlesky. Světlo odražené od kovů či skla je částečně polarizované, takže vhodný polarizační filtr jej odfiltruje. U reflexních ploch pomáhá i koaxiální osvětlení (světlo vstupující do osy kamery přes polopropustné zrcadlo). To zajistí, že rovinné lesklé povrchy se jeví tmavé, zatímco rozptylné prvky (např. popis) jsou vidět.
V praxi se často kombinuje více technik. Důležité je také vyvarovat se okolních rušivých zdrojů světla, které by se mohly na lesklých plochách neočekávaně zrcadlit (např. vypnout nebo odclonit jasné osvětlení haly v okolí inspekční stanice). Správně nastavené osvětlení a optické filtry pak problém odlesků minimalizují.
Ostření a hloubka ostrosti
PROBLÉM: Kamera má vždy zaostřeno optimálně jen na určitou vzdálenost. Pokud kontrolované objekty nejsou přesně v jedné rovině nebo mají 3D strukturu s výškovými rozdíly, může být část obrazu rozostřená. V průmyslu je však zcela běžné, že vzdálenost mezi kamerou a objektem kolísá: například kontrolovaný díl může mít více úrovní v různých vzdálenostech od kamery, nebo se výška výrobků liší kus od kusu. Ve všech těchto scénářích je omezená hloubka ostrosti výzvou. Části objektu mimo rovinu zaostření mohou uniknout detekci. K rozostření přispívá i pohyb v ose Z (přibližování/vzdalování během expozice). Nedostatečná hloubka ostrosti zvlášť komplikuje kontrolu malých detailů na různých úrovních, protože co je ostré v jedné rovině, je rozmazané v jiné.
ŘEŠENÍ: Návrh systému musí zohlednit potřebnou hloubku ostrosti a zajistit, aby v ní ležely všechny důležité části objektu. Existuje několik opatření: Prvním je zaclonění objektivu (vyšší clonové číslo f/#), které zvětší hloubku ostrosti. To ovšem ubírá světlo, takže je nutné kompenzovat silnějším osvětlením nebo citlivější kamerou. Alternativou jsou telecentrické objektivy, které jsou konstruované tak, aby udržely ostrost a měřítko obrazu téměř nezávislé na vzdálenosti objektu v jistém rozsahu. Telecentrická optika eliminuje perspektivní zkreslení a umožňuje měřit objekty různě vzdálené od kamery se stejným měřítkem, avšak je nákladnější a hůře pokrývá velké zorné pole.
Dalším přístupem je automatické ostření nebo přepínání ostření pro různě vzdálené objekty. Některé inspekční systémy dokážou přeostřit mezi snímky nebo využít variabilní optiku k rychlé změně zaostření. V laboratorních podmínkách se někdy využívá i fokus stacking, tedy skládání více snímků zaostřených do různých hloubek do jednoho ostrého obrazu, což ale v reálném čase zpravidla nelze. Nejsnazší cestou je proto často omezit variabilitu vzdálenosti: zajistit, aby všechny kontrolované kusy byly ve stejné rovině nebo aby kamera měla dostatečný odstup a tím přirozeně velkou hloubku ostrosti.
Správnou kombinací optiky a mechaniky tak lze dosáhnout toho, že celý objekt je v potřebných místech ostrý a měřitelný. Pokud ani to nepomůže, volí se 3D strojové vidění (např. dvě kamery nebo 3D senzor), které místo ostrosti využije aktivní měření vzdálenosti ke každému bodu scény.
Pohyb a rozmazání obrazu
PROBLÉM: Pokud se snímaný objekt pohybuje během expozice kamery, dochází k motion blur čili rozmazání obrazu. To nastává typicky na rychlých výrobních linkách, kdy díl není během snímání zcela statický. Při delším expozičním čase urazí bod na pohybujícím se objektu určitý úsek v zorném poli kamery, což vede k jeho „rozmáznutí“ přes více pixelů a ztrátě ostrosti. Rozmazaný obraz znesnadňuje nebo znemožňuje správnou analýzu, protože jemné detaily nebo defekty nelze spolehlivě detekovat. K rozmazání přispívají i vibrace kamery či otřesy stroje (viz Vlivy prostředí níže), které z pohledu kamery působí podobně jako pohyb objektu.
ŘEŠENÍ: Hlavní zásadou je zkrátit efektivní dobu, po kterou dopadá světlo na senzor během pohybu. Toho lze docílit dvěma způsoby: rychlejší kamerou a intenzivnějším osvitem. Moderní praxe využívá kamery s vysokou snímkovací frekvencí a globální závěrkou (global shutter), které umí exponovat velmi krátce (v řádu milisekund či méně) a zabránit tak zkreslení pohyblivých objektů.
Zkrácení expozice vyžaduje silnější osvětlení. Proto se nasazují výkonné LED osvětlení v pulzním režimu (stroboskopickém). Stroboskopy emitují krátké záblesky synchronizované se spuštěním kamery, čímž zmrazí pohyb objektu na snímku. Vysoký jas pulsu zajistí dostatek světla i při mikrosekundové expozici. Důležité je také správné časování a triggrování: systém musí snímek pořídit ve vhodném okamžiku. Někdy se pro přesné spuštění kamery využívají optické enkodéry nebo senzory polohy. Alternativně lze pohybující se díl na chvíli zastavit po dobu snímání, pokud to proces dovoluje. Celkově kombinace rychlé kamery a synchronizovaného osvětlení umožňuje spolehlivou inspekci i na velmi rychlých výrobních linkách.
Variabilita tvaru a vzhledu dílců
PROBLÉM: V praxi často nejsou kontrolované díly zcela identické. Mohou mít přirozené výrobní odchylky, různé povrchové textury, barvy nebo odlišné tvary. Tradiční algoritmy strojového vidění dovedou tolerovat jen omezenou variabilitu (např. změny měřítka, rotace či polohy). Větší odchylky ve vzhledu však představují vážný problém: systém může nedokázat rozlišit, zda jde ještě o povolenou variaci, nebo už o vadu. Například deformovatelné nebo nepravidelné objekty činí potíže klasickým metodám porovnávání vzorů. Ty dobře fungují u kontrastních a konzistentních objektů, ale u proměnlivých tvarů selhávají.
ŘEŠENÍ: V praxi existují dva přístupy: omezit variabilitu nebo zvýšit robustnost algoritmu. První přístup zahrnuje například mechanické zafixování polohy a tvaru dílu nebo třídění výrobků do kategorií s menší vnitřní variabilitou. Druhý přístup spoléhá na pokročilé algoritmy strojového vidění schopné učit se z příkladů a generalizovat. Sem patří zejména metody hlubokého učení (deep learning), které dokážou rozpoznávat i velmi odlišné či nestandardní variace objektů lépe než předem naprogramovaná pravidla.
Tyto AI přístupy se uplatní zejména tam, kde by vytvoření pravidel pro všechny výjimky bylo příliš složité či neudržitelné. V praxi se často kombinuje obojí: pokud nelze variabilitu zcela odstranit, využije se adaptivní software, který se natrénuje na reprezentativní vzorky variací daného dílu, aby je spolehlivě rozpoznal jako OK/NOK.
Nekonzistentní orientace a poloha dílů
PROBLÉM: Strojové vidění předpokládá, že hledaný objekt se nachází ve zorném poli v očekávané poloze. V praxi ale mohou díly přicházet v různé orientaci či posunuté, například natočené pod jiným úhlem, překlopené, nebo libovolně posunuté na dopravníku. Nejednotná orientace výrazně ztěžuje rozpoznání, protože obraz cílového prvku se liší od referenčního vzoru. Systém citlivý na pozici může vyhodnotit správný díl jako neodpovídající jen kvůli natočení. Nestabilní poloha dílů tedy snižuje spolehlivost detekce, protože změny orientace objektů mohou systém zcela zmást, pokud na to není připraven.
ŘEŠENÍ: Nejjednodušší cestou je zajištění jednotné polohy dílů mechanicky. V praxi se používají orientační zařízení, vibrační podavače s orientačními dráhami, fixace či přípravky, které každý kus nastaví do stejné pozice před snímáním. Tím se problém přesune z roviny softwaru do roviny mechaniky. Ne vždy je to však možné nebo ekonomické, zvláště u náhodně orientovaných objektů (např. v sypané směsi) nebo tam, kde je požadována flexibilita. Potom nastupují softwarová řešení: algoritmy odolné vůči orientaci.
Klasickým přístupem je patten matching (hledání vzoru) s umožněnou rotací a škálováním obrazu. Modernější jsou metody strojového učení, které se z dat naučí rozpoznat objekt nehledě na jeho natočení. Důležitá je také dostatečně velká hloubka ostrosti a zorné pole kamery, aby i při posunutí či naklonění byl objekt stále kompletně v záběru a ostrý. V praxi se často kombinuje více kamer nebo širokoúhlé objektivy, aby se pokrylo celé možné rozpětí pozic dílu.
Pokud systém stále hůře detekuje objekty v nestandardních polohách, je nutné zpřesnit mechanické vedení, nebo vylepšit algoritmus (případně přidat učení na nové varianty). Konzistentní nasměrování dílů výrazně zvyšuje spolehlivost vidění, a pokud nelze zajistit fyzicky, mělo by být ošetřeno softwarově.
Vlivy prostředí (prach, vibrace, teplota)
PROBLÉM: Průmyslové prostředí bývá pro optické systémy nehostinné. Prašnost, vibrace strojů, teplotní výkyvy či vlhkost mohou funkci strojového vidění zásadně ovlivnit. Prach a nečistoty se mohou usazovat na čočce nebo osvětlení a zhoršovat obraz. Vibrace výrobních linek či lisů se přenášejí na kameru a způsobují rozmazání snímků podobně jako pohyb. Jemné detaily pak nelze rozeznat.
Teplota okolí zase ovlivňuje elektroniku kamer i vlastnosti objektivů: při extrémním horku hrozí rozostření (dilatace, posun ohniska) či dočasné oslepnutí senzoru, při velkém chladu může kamera selhat úplně. Teplotní fluktuace rovněž narušují kalibraci. Např. přesné 3D měření vzdáleností může vlivem zahřívání driftovat, než se systém stabilizuje. Vysoká vlhkost způsobuje mlžení optiky a může i korodovat kontakty. Tyto environmentální vlivy často degradují kvalitu obrazu nebo přímo vedou k výpadkům funkce, pokud nejsou podchyceny.
ŘEŠENÍ: Pro nasazení v průmyslu se volí průmyslové kamery a komponenty se zvýšenou odolností a zároveň se přijímají opatření na ochranu systému před prostředím. Proti prachu a nečistotám pomáhá uzavřít kameru i osvětlovače do krytů s těsněním (IP65 a vyšší), případně aplikovat přetlakové ofukování čelní optiky filtrovaným vzduchem, aby se na ní neusazovaly částice. Nutná je pravidelná údržba a čištění optiky, i tenká vrstva prachu může snížit kontrast a způsobit chyby.
Proti vibracím se kamery montují na anti-vibrační držáky nebo tlumicí prvky, které izolují otřesy od citlivé optiky. Dále se preferuje kratší expoziční čas, aby se případný mikropohyb nestihl projevit (viz Pohyb a rozmazání obrazu výše). Teplotní stabilitu zajistí umístění kamer mimo extrémní zóny nebo použití chlazení/ohřevu: kamery lze osadit do krytu s aktivním chladičem či topením, případně použít termoelektrický článek.
Důležité je dodržet výrobcem udávané provozní teploty. Například některé přesné 3D kamery vyžadují po zapnutí zahřátí na provozní teplotu a její udržování, aby garantovaly správnou funkci. Ve velmi vlhkém prostředí se kamery vybavují ochranou proti mlžení čoček.