Impulsione Qualidade de Produção: Imageamento Digital de Alta Velocidade Aprimora Visão Computacional Tradicional

Visão computacional é uma ferramenta comprovada de controle de processo para uma variedade de aplicações de automação industrial. Tradicionalmente, esta tecnologia integra sensores de imagem comerciais prontos (COTS), módulos de iluminação e processadores para guiar, inspecionar ou identificar peças conforme elas se movem ao longo de linhas de produção. Comparado a operadores humanos, sistemas de visão computacional são rápidos, precisos e repetíveis — melhorando qualidade do produto, baixando taxas de sucata e aumentando produtividade em ambientes de manufatura acelerados.

Embora os benefícios operacionais sejam claros, imageamento digital de alta velocidade expande os benefícios, capacidades e casos de uso para visão computacional ainda mais. Graças à sua alta resolução, taxas de quadro rápidas e capacidades de streaming, câmeras de alta velocidade permitem visão computacional em aplicações desafiadoras que requerem análise em tempo real ou longos tempos de gravação, como manufatura de semicondutores, lançamentos de ônibus espacial, inspeção ferroviária e mais. Por estas razões, sistemas de visão computacional de alta velocidade capturam o que sistemas de visão tradicionais não podem, lançando luz em processos muito pequenos ou muito rápidos para ver com o olho humano.

Principais Características de Câmeras de Visão Computacional de Alta Velocidade

Câmeras de visão computacional de alta velocidade diferem de câmeras de visão computacional tradicionais de várias formas. No lugar de sensores COTS ou dispositivo de carga acoplada (CCD), câmeras de alta velocidade integram sensores de semicondutor complementar de óxido metálico (CMOS) projetados sob medida. Quando projetados especificamente para aplicações de alta velocidade, sensores CMOS entregam velocidade e sensibilidade inigualáveis, levando a inspeções mais detalhadas e maiores rendimentos em aplicações de visão computacional como detecção de defeitos, medição de peças e mais. Câmeras de visão computacional de alta velocidade que incorporam sensores CMOS com múltiplos megapixels alcançam qualidade de imagem excepcional mesmo em taxas de quadro desafiadoras.

Características Desejáveis

Câmeras de visão computacional de alta velocidade estão ganhando terreno em aplicações de ciências da vida, testes balísticos, impressão 3D e mais.

Não é suficiente para câmeras de visão computacional simplesmente irem mais rápido; elas devem ser projetadas para lidar com isso. Além de taxas de quadro excedendo 67.000 fps, as seguintes características são importantes para manter em mente ao selecionar câmeras de alta velocidade para aplicações de visão computacional:

Resolução: Câmeras de visão computacional Phantom incorporam sensores CMOS até 9 megapixels. Estes sensores multi-megapixel — acoplados com os tamanhos de pixel pequenos das câmeras — produzem imagens mais detalhadas em taxas de quadro rápidas.

Sensibilidade à luz: Geralmente, quanto menor o tamanho do pixel, maior o detalhe de imagem — o que é especialmente importante em aplicações requerendo microscópio. Sensores CMOS apresentam tamanhos de pixel tão pequenos quanto 5.6 micrômetros, resultando em ISO nativo alto. Como resultado, estas câmeras alcançam excelente qualidade de imagem apesar dos tempos de exposição baixos necessários para aplicações de visão computacional de alta velocidade.

Tempo de exposição: Câmeras Phantom têm tempos de exposição tão baixos quanto 1 microssegundo. Esta capacidade — junto com alta sensibilidade à luz e tamanhos de pixel pequenos — congela suficientemente movimento de alta velocidade enquanto elimina motion blur.

Faixa dinâmica: Faixa dinâmica entra em jogo quando uma imagem tem muitos tons, ou quando um assunto é quase da mesma cor que seu fundo. Quanto maior a faixa dinâmica de uma câmera, mais definição de sombreamento o sensor pode detectar. Câmeras de visão computacional Phantom têm faixa dinâmica entre 54.8 e 59.7 decibéis, tornando-as adequadas para aplicações mais escuras como inspeção de semicondutores.

Além de sensores altamente customizados, câmeras de visão computacional de alta velocidade utilizam tecnologia de cabo de cobre CoaXPress (CXP), permitindo que elas transfiram vastas quantidades de dados para frame grabbers compatíveis, padrão da indústria, em tempo real. Esta capacidade de transmitir dados instantaneamente evita o processo demorado de salvar dados na RAM limitada da câmera antes de baixá-los para um computador. Quando acopladas com unidades DVR prontas, estas câmeras de streaming também suportam aplicações de gravação mais longas em aeroespacial, como dinâmica de foguetes, dinâmica de aviões e balística, apenas para citar alguns.

O protocolo CXP6 é atualmente o método padrão de transferência de dados mais rápido. Cada cabo de cobre atinge taxas de transferência de 6.25 gigabits por segundo da câmera para a máquina receptora backend. O padrão mais recente CXP12 dobra esta taxa, tornando tanto CXP6 quanto CXP12 ideais para câmeras requerendo alta vazão.

Graças à sua sensibilidade à luz e taxas de quadro rápidas, câmeras de streaming de alta qualidade são ideais para inspeção de semicondutores.

Enquanto a maioria das câmeras de visão computacional fornece até 2-gigapixels por segundo de vazão de dados, as câmeras de streaming mais rápidas do mundo atingem velocidades de transferência direta de dados até 9-gigapixels por segundo. Estas câmeras dividem e transmitem imagens por linhas, então costuram cada imagem de volta usando um algoritmo simples — tornando taxas de quadro e resoluções mais altas possíveis. Ao confiar em GenICam, uma interface de programação genérica, estas câmeras também facilitam configuração e integração em sistemas existentes.

Configurações Tempo Real vs. Gravação Longa

A configuração backend em sistemas de visão computacional de alta velocidade depende de várias variáveis, incluindo taxa de quadro requerida, resolução e tempo de gravação. Para análise em tempo real, usuários podem utilizar até 16 canais CXP6 padrão na câmera de streaming. Enquanto cabos CXP6 permitem comunicação até 68 metros, conectores de fibra óptica alcançam distâncias maiores até 200 quilômetros. Usuários também podem utilizar a entrada/saída de propósito geral (GPIO) da câmera para sinalização e sincronização rápidas e flexíveis.

Outros componentes de hardware e software incluem:

• Frame grabber específico para aplicação e placa frame grabber CXP6;
• Software, incluindo API do frame grabber, Matlab®, LABVIEW ou quaisquer ferramentas de visão de pós-processamento;
• Hardware de processamento de imagem, tipicamente microprocessador GPU ou FPGA;
• Um computador com slots PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.

Enquanto a maioria das aplicações de alta velocidade ocorre em centenas de milissegundos, aplicações de visão computacional podem requerer tempos de gravação mais longos — vários minutos a meia hora, por exemplo — para acomodar eventos como lançamentos de ônibus espacial. Para superar desafios de armazenamento associados a tal grande quantidade de dados, câmeras de visão computacional de alta velocidade podem transmitir dados diretamente para uma unidade DVR, que apresenta múltiplos terabytes de espaço. Esta configuração plug-and-play permite que usuários armazenem facilmente os dados de entrada para análise posterior.

Expandindo Aplicações Tradicionais de Visão Computacional

Graças a câmeras de visão computacional de alta velocidade, fabricantes podem alcançar imagem com resolução mais alta e precisão de gravação. Estas características aumentam velocidades de linha e volumes de produção, diminuem gargalos e reduzem custos por unidade. Ao mesmo tempo, estas câmeras de streaming podem capturar alvos em escala nanométrica que são de outra forma difíceis de ver — muito menos analisar — usando câmeras de visão computacional tradicionais, transformando visão computacional de uma ferramenta de controle de processo para uma ferramenta de diagnóstico. Como resultado, visão computacional está ganhando tração em indústrias como ciências da vida, manufatura de semicondutores, farmacêuticas e mais.

Áreas de Aplicação Mais Recentes

Algumas das mais recentes áreas de aplicação para visão computacional de alta velocidade incluem:

Inspeção de semicondutores: Câmeras de visão computacional de alta velocidade estão desempenhando papel cada vez mais importante em manufatura de semicondutores, uma indústria impulsionada por vazão. Especificamente, elas identificam e sinalizam defeitos de peças assim que surgem, baixando custos relacionados a defeitos e tempo de inatividade, melhorando vazão e mantendo tempos de inspeção ao mínimo.

Câmeras de visão computacional de alta qualidade atingem o equilíbrio necessário entre sensibilidade à luz, razão sinal-ruído e taxas de quadro rápidas requeridas por aplicações de semicondutores, que tipicamente envolvem escalas submicrônicas. Na resolução total de 4.096 × 2.304, a câmera de streaming Phantom S990, por exemplo, apresenta tamanhos de pixel de 6.75-μm, ruído de 9.6e- e velocidades de gravação de 938-fps, gerando imagens de alta qualidade que permitem o software de imagem detectar variações sutis entre áreas claras e escuras indicando um defeito.

Espectrômetros de alta velocidade: Usados em muitas aplicações de alimentos e bebidas, farmacêuticas e agrícolas, espectrômetros de alta velocidade difratam luz branca em vários comprimentos de onda para criar um espectro de absorção, tornando possível detectar a presença de certos materiais. Uma aplicação emergente para este processo envolve verificar a composição química de comprimidos farmacêuticos usando câmeras de visão computacional de alta velocidade. As câmeras gravam comprimidos conforme eles se movem ao longo de uma esteira. Então, baseado na luz difratada, absorvida e transmitida que atinge a lente, a câmera pode sinalizar comprimidos defeituosos, tudo enquanto mantém linhas de produção em movimento.

Graças às suas velocidades de gravação rápidas e sensibilidade à luz, câmeras de streaming de alta velocidade são ideais para esta aplicação emergente. Além de fornecer um método de inspeção sem contato, estas câmeras podem facilmente inspecionar dezenas de comprimidos dentro do mesmo campo de visão simultaneamente, melhorando vazão em operações farmacêuticas críticas.

Características de Câmeras de Streaming

Em aplicações de streaming de visão computacional, dados de imagem fluem diretamente para um frame grabber e PC ou DVR de gravação longa via tecnologia de cabo CXP. Usuários podem acessar imediatamente estes dados seja para aplicação em tempo real ou gravação longa e são limitados apenas pela quantidade de armazenamento no PC ou DVR.

• Outras características de câmeras de streaming de alta velocidade incluem:
• Profundidade de bit configurável — 8-/12-bit, 8-/10-bit
• Alimentado por tecnologia CXP6 para alguns streamers que consomem menos de 27 volts
• Conformidade GenICam para fácil integração
• Compatibilidade com frame grabbers PCIe3 CXP6
• GPIO fornece características de sinalização comuns e avançadas
• Transferência de dados escalável para necessidades de dados reduzidas

Inspeção ferroviária: Câmeras de visão computacional de alta velocidade têm potencial para mudar como sistemas ferroviários são inspecionados. Diferente de câmeras de visão computacional tradicionais, que perdem tempo valioso durante o ano para chuva, neve ou tempestades de poeira, câmeras de streaming fornecem a taxa de quadro alta, resolução e sensibilidade à luz necessárias para ver através de condições climáticas difíceis. Diferente da maioria das câmeras, elas também lidam com luz branca sem o uso de filtros de lente adicionais.

Outras áreas de aplicação emergentes para câmeras de streaming incluem ciências da vida, como diagnóstico celular; identificação de frascos e hemólise; testes balísticos; solda a laser; e impressão 3D.

Este artigo foi escrito por Uma Gobena, Engenheira de Aplicação de Visão, Vision Research (Wayne, NJ). Para mais informações, visite aqui.