prof. dr. ing. valer dolga,creşterea diametrului bobinelor de deflexie. e) răspusul spectral...
TRANSCRIPT
Senzori si traductoare
Prof. dr. ing. Valer DOLGA,
Cuprins_10
� Introducere� Senzor video - robot� Principii de realizare a senzorului video� Prelucrarea informatiei optice � Segmentarea imaginii� Imagine si contur� Extragerea conturului
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2
� Extragerea conturului� Topologia zonelor� Codificarea imaginii� Modelarea imaginii� Exemplu� Iluminarea scenei de lucru� Concluzii
Introducere
•control şi inspecţie: stări de suprafeţe, culori, aspect, forme, contur,dimensiuni (liniare, plane sau spaţiale);
•verificarea: prezenţei sau absenţei unui subiect, simboluri, caracter,semnătură;
•identificări şi localizări de obiecte: în plan (2D) sau spaţiu (3D);
•lectură (cu sau fără recunoaştere): caractere alfanumerice, valori numerice;
•urmărirea unui contur: cordon de sudură etc.
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 3
•urmărirea unui contur: cordon de sudură etc.
în fabricaţia flexibilă - 3 clase mari de utilizare a senzorilor vizuali (aceastăimpărţire nu este unică:
a) inspecţia
b) identificarea obiectelor
c) controlul şi comanda RI.
a) Inspecţia : 70 % din aplicatii
� măsurări tridimensionale;
� verificarea prezenţei sau absenţei componentelor în scena observată;
� controlul de calitate.
� Un exemplu edificator: inspecţia măştilor fotografice pentru circuiteleintegrate:
� O inspecţie clasică (de ex. manuală) necesită 10 - 15 ore de muncă /mască;
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 4
mască;
� varianta automatizată necesită 10 - 15 minute.
b) Identificarea : Într-o serie de aplicaţii industriale este necesară identificarea pieselor pentru a se lua o decizie şi a se realiza un clasament
c) Controlul şi comanda RI: pe baza informaţiei obţinute de la senzorul vizual se pot estima poziţiile de situare a unor piese, coordonatele de prehensare, se pot determina distanţe, prezenţa unor obstacole etc.
Identificarea unor piese
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 5
Recunoaşterea unei caroserii
Senzor video - robot
Legatura senzor vizual-robot industrial
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 6
10
TR=A
3*13*3
i
1) - (i
s
psp AAA ⋅=00
[ ]Tpppx zyxM 131 =
[ ] [ ]Tpppp
T
ppp zyxAzyx 11 0000 ⋅=
Principii de realizare a senzorilor video
Tubul orticon
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 7
Tubul vidicon
Performanţele caracteristice cerute unui tub :
a) sensibiltatea şi caracteristica de transfer. Tuburile vidicon posedă ofotosensibilitate ridicată. Orice precizare privind sensibilitatea trebuie săincludă o referinţă la nivelul de iluminare şi la tensiunea şi curentul deobscuritate la care au fost măsurate.
b) răspunsul în timp sau remanenţa. Remanenţa este consecinţa a doua cauze:remanenţa inerentă în procesul de descărcare al fasciculului electronic şi inerţiaprocesului fotoconductiv. Remanenţa descreşte cu creşterea iluminării.
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 8
c) rezoluţia imaginii. Tubul vidicon posedă o rezoluţie liniară înaltă (până la700 linii de explorare). Rezoluţia este limitată în principal de dimensiuneafinită a fasciculului de baleiaj focalizat.
d) geometria imaginii. Distorsiunea imaginii este stabilită de optica electronicăa tubului ca şi de acţiunea câmpurilor de baleiaj şi de focalizare ale fascicululuielectronic. O îmbunătăţire considerabilă a geometriei se poate obţine princreşterea diametrului bobinelor de deflexie.
e) răspusul spectral (dependenţa sensibilităţii de lungimea de undă)
. Senzor vizual cu matrice de diode pe
suport solid
Matrice de fotodiode
pe corp solid
(sidiconul)
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 9
Senzor vizual
Principiul dispozitivelor cuplate prin
• Conceptul transferului de sarcină a fostdescris de Boyle şi Smith de la BellTelephone în 1970;
• Tehnologia dispozitivelor cu transfer desarcină (CTD - Charge transfer device);
•Alte variante:
�dispozitive cu acumulare de sarcinăBBD (bucket brigade devices);
�dispozitive cu injectare de sarciniCID (charge injection devices).
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 10
Principiul dispozitivelor cuplate prin sarcină (CCD) CID (charge injection devices).
• senzorul CCD = matrice de elemente fotosensibile executate pe cristalsemiconductor prin metoda microfotolitografierii
•dacă pe suprafaţa acestui sistem se proiectează un relief luminos în fiecareelement se formează o sarcină localizată de purtători da sarcină minoritară şi demărime proporţională cu mărimea fluxului luminos pe elementul dat şi cutimpul de acumulare;
• Distribuţia mărimilor sarcinilor acumulate repetă relieful luminos vizualizat.
• După experirarea timpului de acumulare (de obicei este fix) sarcinile suntdeplasate succesiv pe linii şi cadre şi îndepărtate din structura senzorului prindispozitivul de ieşire (registru);
• Semnalul astfel obţinut formează semnalul video
• Dintre parametrii principali ai acestor senzori:
� domeniul spectral 0.2(0.4)...1,1 nm;
� fotosensibilitate integrală 500 µA/lx ;
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 11
� rezoluţie liniară 40...60 linii/mm;
� neomogenitate a fotosensibilităţii până la 10 %
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 12
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 13
• punct sensibil = imagine elementară = pixel
• numărul maxim de pixeli - determinat de lungimea dispozitivului şi dimensiuneafiecărui punct sensibil
Senzori vizuali liniari
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 14
ă
Senzori vizuali bidimensionali
Organizarea citirii unui senzor vizual
liniar
Prelucrarea informatiei senzorului vizual
A. tratarea imaginii
ş
1. Metoda imaginii binare
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 15
. Sistemul de coordonate ataşat matricii H
Tehnica siluetei
Cresterea
contrastelor
Principiul obţinerii imaginii binare
Histograma imaginii
1 L
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 16
Principiul obţinerii imaginii binare
fie o imagine definită prin:
� "L" nivele de gri;
� "N" numărul total de pixeli
� "n(i)" numărul de pixeli de semnal "i"
( )[ ]iniN
1 = S
L
1=i
⋅∑
( ) ( )[ ]∑=
⋅⋅=j
i
iniN
ju1
1
( )∑=
⋅=j
i
inN
jv1
1)(
[ ][ ]v - v
uvS =
(j)(j)
jj2
1
2)()(
⋅
−⋅σ max
Alterarea imaginii (a) şi soluţionarea problemei (b)
2. Metoda nivelului de gri
+ +
Intensitatea ataşată unui pixel este "netezită" la valoarea:
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 17
Histograma în gri:
a) imagine întunecată; b) imagine luminoasă
( ) ( )∑ ∑+
−=
+
−=
⋅=qy
qyn
px
pxm
mniS
yxi ,1
,
- "S" este o suprafaţă centrată pe pixelul vizat având coordonatele x şi y;
-S = (2p + 1)(2q + 1) ;
-2p + 1 este numărul de pixeli după axa x ataşaţi suprafeţe;
-2q + 1 este numărul de pixeli după axa y ataşaţi suprafeţei
Matricea 3 x 3
Metoda gradientului = inlocuirea intensităţii fiecărui pixelprintr-o valoare dependentă de punctele vecine
Suma gradienţilor ponderaţi pe linie ("Gx") sau pecoloană ("Gy") este descrisă de operatorul matricial:
c p =G ijij
3
1 =j
3
1 =i
⋅∑∑• "pij" - elementele matricii nivelelor de gri
din jurul punctului analizat
• "c " sunt elementele matricii de pondere
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 18
• "cij" sunt elementele matricii de pondere
−
−
−
=
33
22
11
0
0
0
aa
aa
aa
Cx
−−−
=
321
321
000
bbb
bbb
Cy
101
202
101
-
-
-
= C x
Matricea Sobel
121
000
121
---
= C y
Matricea Prewitt
−
−
101
101
= C x
000
111
= C y
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 19
− 101
101 = C x
−−− 111
000 = C y
G + G =G 2y
2xAmplitudinea nivelului de gri:
Orientarea nivelului de gri:
=
x
y
G
Garctgθ
Metoda transformatei Fourier
Segmentarea imaginii
• Segmentarea imaginii = operaţia de extragere teoretică (separare) a unorzone particulare din imaginea tratată anterior.
• Pixelii aparţinători acestor zone au o proprietate comună (de ex. aparţin laobiectul vizualizat).
În mod curent se aplică două metode:
a) extragerea conturului - se separă toţi pixelii cuprinşi în interiorul unorlinii cu contrast puternic;
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 20
b) topologia zonelor - se separă toţi pixelii dintr-o zonă care respectă oaceeaşi stare logică.
pixel
Imagine si contur
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 21
Parametrul Simbol Valori tipice
Linii N 256, 512, 525, 625, 1024, 1035
Coloane M 256 512, 768, 1024, 1320
Nivele de gri L 2, 64, 256, 1024, 4096, 16384
Linie contur
Pixel de contur
Extragerea conturului
Extragerea conturului:
a - scanarea imaginii; b - semnal video; c - informaţie memorată
Extragerea conturului =
definirea limitelor imaginii
unui obiect vizualizat înscopul stocării acesteiinformaţii în memoriasistemului de comandă.
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 22
Extragerea conturului la piese
complexe
- două "zone" de control care se deplaseazăpe limita internă şi externă a conturuluiteoretic;
- limita reală a conturului este descrisă delocul geometric al distanţei minime dintrecentrele celor două "zone".
Topologia zonelor
Imagine vizualizata si matricea de analiza
( ) ( ) ( )[ ]U U4
,,, = yxKyxIyxk
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 23
Funcţiile logice In, Kn ( ) ( ) ( )[ ]U U
1,,,
=
=n
nn yxKyxIyxk
Matrice de analiza
143210 =⋅⋅⋅⋅ aaaaa urmeaza o noua zona
120 =⋅ aa a0 si a2 apartin la aceeasi zona
34120 a )a + (a = a a ⋅⋅ ao apartine la zona a1 sau a4
34120 a )aa( = a a ⋅⋅⋅ a0 apartine cu a3
Codificarea imaginii
Exemplu de codificare:
a) – codul Freeman; b) - contururi tratate
origine
Sens de parcurgere Cod : 6 7 8 8 1
2
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 24
13
4
Cod contur: 4 3 4 4 1 4 1 1
-contur exterior:
66577718111111133333555545
-contur interior:
7771111133355555
Modelarea imaginii
Determinarea parametrilor geometrici ai imaginii
{obiect j)(i,daca 0,
obiect j)(i,daca 1, = hij
∉
∈
Aria imaginii vizualizate:
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 25
)h( = A ij
-1n
0=j
-1n
0=i
∑∑
Perimetrul conturului ( Γ ) al imaginii:
{parnumar este mdaca ,2
impar numar este mdaca 1, = m unde m = P
)(
′′∑Γ
m = cifra din codul Freeman
Exemplu
hij = 1
A = 99 pixeli
origine
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 26
hij = 0
hij = 1
h11 = 0
h20,1 = 0
Codul Freeman:
778655555778187777181111335443221123333454565
21332 +=P pixeli
)hi ( A
1 = X ij
1-n
0=i
1-n
0=js ⋅⋅ ∑∑
)hj ( A
1 = Y ij
1-n
0=j
1-n
0=is ⋅⋅ ∑∑
Coordonatele centrului de greutate (Xs,
Ys) al suprafeţei delimitate de contur :
Momentele de inerţie axiale ale suprafeţei (faţă de
axele Ox, Oy) şi momentul de inerţie centrifugal:
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 27
) ( hi = J ij
1-n
0=j
21-n
0=ix ∑∑
) ( hj = J ij
1-n
0=i
21-n
0=jy ∑∑
)hj i( = J ij
1-n
0=j
1-n
0=ixy ⋅∑∑
)J - J
J2( arctg
2
1 =
xy
xy⋅α
x
y
1
2
O
α
J + )J - J( 4
1 )J + J(
2
1 = J
2xyyx
2yx1,2 ⋅±⋅
Parametrii caracteristici (poligon circumscris, raze)
Opţional se mai pot calcula:
• raportul Ymax / Xmax dintre dimensiunile de gabarit pe direcţieverticală şi orizontală;
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 28
• complexitatea conturului Xmax/P ;
• compactitatea figurii: A/(XmaxYmax) ;
• simetria XS/Xmax, YS/Ymax .
Operatia de determinare a unor parametri
a) măsurări independente de piesa vizualizată (aria, perimetrul etc);
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 29
Măsurări independente de piesă
• cercuri echidistante;
• parametri:
�numărul segmentelor deintersecţie ale conturului cucercurile de explorare,
� unghiul αmin pentru razamaximă.
b) Masurari dependente de piesa vizualizata
Măsurări dependente de piesă
• functii inregistrate pe cercul de
raza R1 , R2 - 3 * "1"
• corelaţia dintre unghiul Φ şi raza R.Controlul câmpului vizual
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 30
Controlul câmpului vizual
piese
Iluminarea scenei de lucru
- suprafeţe difuze (a) (lămpifluorescente - b, reflectoare difuze);
- condensoare (c),
- proiectoare (d);
- colimatoare (e).
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 31
Corpuri de iluminat
Iluminare frontală
Imagine in cimp intunecat
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 32
Imagine în câmp luminos
Iluminare cu ajutorul oglinzii reflectoare
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 33
Iluminare prin prisma divizoare
Iluminare paralelă
Metoda de iluminare din spate
Utilizarea unei suprafeţe reflectorizante
Iluminare monocromatică
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 34
Utilizarea condensorului
Utilizarea colimatorului
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 35
Poziţionarea senzorului vizual
1- sursa lumina;
2 , 3, 4, 5 – oglinzi;
6 – filtru optic
7 – senzor video CCD
8 – piesa pentru sudat
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 36
Sursa de lumină şi senzorul vizual în structură compactă
Concluzii
Cerinţe principale pentru un senzor vizual:
•simplitate în deservire;
•viteză mare de prelucrare a informaţiei;
•flexibilitate, posibilitate de adaptare la diferite sarcini (de ex. regim debandă rulantă, descărcarea paletelor, controlul pieselor etc.);
•sensibilitate geometrică cât mai mare;
•cost redus;
Prof. dr. ing. Valer DOLGA 37
•cost redus;
•posibilităţi simple de conectare în cadrul sistemului;
•siguranţă ridicată în funcţionare;
•sensibilitate redusă la factori perturbatori.