Les composants pour une vision industrielle efficace

Par Arnaud Destruels, Directeur MV Product Marketing, Sony Image Sensing Solution Europe

La vision industrielle s’avère essentielle pour améliorer la qualité dans de nombreux processus en permettant d'assurer une inspection opérationnelle en ligne. Cependant les intégrateurs de système de vision industrielle doivent veiller à ce que les tâches d'inspection ne se traduisent pas par un surcoût lié à la détection de fausses erreurs ou à un ralentissement excessif de la ligne de production. Des facteurs tels que le takt time sont devenus de plus en plus importants dans la détermination d’une cadence globale et de l'efficacité d'une ligne de production.

          Afin de soutenir une cadence élevée et un faible takt time, la capacité d'un capteur d'image à acquérir rapidement des trames est certes importante mais cela est loin d'être le seul facteur important. L'éclairage constitue un élément clé dans la détermination de la précision globale et la répétabilité de la vision industrielle. L'éclairage de la zone d'intérêt doit être suffisamment élevé pour garantir que le temps d'exposition de la caméra est aussi court que possible, ce qui se traduira par une réduction du takt time global. Une autre façon d'obtenir un éclairage efficace est d'augmenter la sensibilité à la lumière du capteur d'image lui-même. Néanmoins, il s’agit là de juste un aspect de la façon dont les performances d'éclairage doivent être optimisées.

          La direction de l'éclairage est tout aussi fondamentale afin de veiller à ce qu'il y ait un fort contraste entre les caractéristiques qui doivent être reconnues et leur arrière-plan. L'uniformité de l'éclairage est également déterminante pour réduire la quantité de post-traitement nécessaire pour s'assurer que le logiciel de traitement d'image peut contrôler chaque composant monté ou caractéristique de produit en termes d’alignement et de qualité.

          Il peut souvent être difficile d'atteindre le niveau requis d'équilibrage de l'éclairage sur la totalité d’une image. Certaines parties du produit ou du sous-ensemble à capter peuvent se trouver dans l'ombre de plus grands composants. Les niveaux élevés de d'éclairage nécessaire pour capter certains composants de manière efficace, parce qu'ils affichent un faible contraste par rapport au substrat, peuvent conduire à l'éblouissement dans d'autres parties de l'image.

          D'autres problèmes peuvent être le vignettage de l'image, quand le niveau d'éclairage acquis par le capteur varie selon les zones de l'objectif ou quand des problèmes causés par la nécessité de monter l'éclairage à proximité proche de l'objet examiné, rendant difficile l’obtention d’une couverture cohérente. Dans de nombreux cas, cela conduit à ce que certaines zones de l'image soient légèrement plus brillantes que d'autres.

          Des algorithmes de traitement d'image peuvent être utilisés pour corriger partiellement ces problèmes, mais ils augmentent la charge de calcul et peuvent compliquer les processus de détection quand il s’agit de déterminer si une zone de l'image présente un défaut ou est un artefact d'éclairage. En tirant parti de la capacité des imageurs CMOS à fournir des cadences élevées et à assurer l’acquisition au niveau du pixel, il est possible de surmonter les problèmes de cohérence d'éclairage au travers de la carte.

          Une technique de plus en plus courante en photographie consiste à faire appel à l’acquisition de type HDR (High-Dynamic Range) dans laquelle plusieurs photos sont prises en séquence rapide, chacune avec un temps d'exposition différent. Il en résulte une séquence d'images permettant de détecter des zones qui auraient été invisibles du fait d'une trop forte luminosité ou obscurité si une seule image avait été prise. Les images ainsi obtenues sont ensuite combinées pour produire une photographie composite qui fournit une profondeur de bits beaucoup plus élevée qu'avec une seule image. La gamme dynamique élevée permet l'utilisation de la correction des ombres sur des parties de l'image pour les reconnaitre plus facilement, sans perte en profondeur de bits efficaces ; ce qui se produirait avec des images traditionnelles obtenues avec une seule exposition.

          En calibrant l’acquisition d'image avec un cadre de référence, le capteur d'image peut encore améliorer l'image en modifiant la luminosité des pixels qui se trouvent dans des zones qui ne sont pas éclairées aussi efficacement que d'autres. Idéalement, un certain nombre de paramètres de référence peuvent être stockés pour permettre l'utilisation de plusieurs sources de lumière dans des captures successives afin de mettre en évidence différentes parties de l'objet en cours d'inspection.

          Un autre avantage de l'utilisation de captures multiples et du traitement intégré au capteur est une augmentation de la netteté globale de l'image. Les effets tels que la réfraction liée à la chaleur font que la précision des lignes et des points semblent bouger avec le temps. Cela va entraîner un flou dans le cas d'expositions longues ou de changements de position d’un produit à l’autre sur des courtes expositions successives. Le logiciel peut reconnaître cet effet visuel comme étant le résultat d'un processus de fabrication en dehors de la tolérance, l'amenant à soumettre le produit à une réinspection coûteuse en temps ou, pire encore du point de vue économique, à le mettre au rebut. L'utilisation d'une moyenne d'images et de techniques de correction qui atténuent la réfraction permet l'élimination rapide et efficace des défauts de l'image, de sorte que le logiciel peut se concentrer sur les problèmes réels de production.

          Le support d'une Look-Up Table (LUT) et la correction des défauts de pixel sont d'autres mécanismes permettant de faire face aux problèmes d'éclairage et de capteurs d'image. Une table LUT permet de décaler le gamma de l'image pour profiter pleinement de la résolution en bits du flux de sortie du capteur d'image en optimisant le contraste dans l'image. Les caméras de vision industrielle de haute qualité sont livrées sans pixels morts. Il est cependant possible que certains pixels ne soient pas en mesure de fournir une performance optimale dans le cas de réglages de gain élevé ou pendant de longues expositions. La correction des défauts permet au logiciel interne de la caméra d'utiliser les valeurs des pixels environnants pour compenser ce défaut afin que le logiciel de traitement d'image ne traite pas les pixels ayant des valeurs incorrectes.

          La capacité de sélectionner des régions spécifiques est un autre facteur important dans la rationalisation de la performance globale du système. En programmant le capteur d'image pour envoyer uniquement des portions d'image, l'utilisation de la bande passante du réseau peut être optimisée. Ceci, à son tour, permet l'utilisation de plusieurs sous-systèmes de traitement d'image pour capturer plusieurs images d'un produit ou pour déployer plusieurs capteurs le long de la ligne de production afin de pouvoir surveiller plus efficacement les résultats des processus individuels.

          La performance du sous-système d'obturation est également importante. Si un capteur d'image doit acquérir l’image précise d'un objet passant sous lui, les distorsions causées par ce déplacement doivent être minimisées. Le capteur d'image lui-même peut introduire des distorsions s'il n'a pas été conçu pour les applications de vision industrielle.

          Beaucoup d'imageurs CMOS conçus pour les applications grand public cherchent à maximiser leur taux de trame en permettant à chaque rangée de commencer l'exposition de la trame suivante dès qu’une lecture est terminée. Chaque rangée est exposée pendant la même durée, mais les délais sont légèrement décalés ce qui induit que la rangée au sommet du capteur prend une image presque une trame avant la rangée du bas. L'effet est problématique dans le cas du mouvement rapide des objets qui se déplacent dans le champ de vision. Le haut de l'objet apparaîtra avec un décalage par rapport au bas, ce qui entraîne une nette distorsion spatiale.

          Conçues spécifiquement pour les applications de vision industrielle, les familles XCG et XCL de caméras proposées par Sony utilisent plutôt une architecture à obturation globale dans laquelle tous les pixels sont masqués ou activés en même temps. Ceci empêche le décalage qui peut résulter d'un dispositif CMOS à obturation conventionnelle.

          La combinaison d'un certain nombre de techniques et de technologies de capteurs d'image, tels qu’avec les Sony XCG et XCL conçus spécifiquement pour la vision industrielle, peut aider les intégrateurs et les utilisateurs finaux à construire des systèmes de vision industrielle qui continuent à apporter des améliorations dans le débit et dans le takt time des systèmes industriels.

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