Cảm biến hình ảnh và Cảm biến thị giác (Vision sensor) là gì? Ứng dụng trong công nghiệp

Các loại cảm biến hình ảnh và cảm biến thị giác (Vision sensor) ngày nay hoạt động rất thông minh, có thể thực hiện các phân biệt, phát hiện các đối tượng lỗi, sai lệch vị trí, … gần như mắt người.

Bài viết này giới thiệu về cảm biến hình ảnh hoặc cảm biến thị giác (Vision sensor) và các ứng dụng phổ biến của chúng trong tự động hóa nhà máy.

Bạn có thể tham khảo về các loại Cảm biến khác tại đây: Sensor là gì ? Các loại cảm biến dùng trong công nghiệp

Xem Nhanh Nội Dung

1. Cảm biến thị giác – Vision sensor là gì?
2. Cảm biến hình ảnh – Image sensor là gì?
- Máy ảnh màu
3. Pixel là gì?
- Tổng số pixel / pixel hiệu dụng
4. Xử lý hình ảnh (binalization)
5. Xử lý hình ảnh 2 (chia tỷ lệ xám)
6. Xử lý hình ảnh 3 (tìm kiếm mẫu)
7. Cảm biến tầm nhìn
8. Tính toán thời gian cửa trập
9. Các đối tượng mà cảm biến thị giác khó phát hiện
10. Các Ứng dụng của cảm biến thị giác

1. Cảm biến thị giác – Vision sensor là gì?

Cảm biến tầm nhìn hoặc cảm biến thị giác được sử dụng để phát hiện đối tượng bị lỗi, kích thước đo của đối tượng, nhận dạng ký tự, phân loại đối tượng …

Cảm biến thị giác sử dụng các công nghệ xử lý hình ảnh như phân biệt “Trắng hoặc Đen”, “Sáng hoặc Tối”, “Màu đậm hoặc Màu nhạt”, “Sự khác biệt của màu sắc”…

Ví dụ, để phát hiện vết bẩn trên vật thể màu trắng, cảm biến thị giác sẽ kiểm tra vùng màu đen trong trường nhìn và phát hiện đó là vết bẩn nếu vùng màu đen vượt quá ngưỡng.

2. Cảm biến hình ảnh – Image sensor là gì?

Cảm biến hình ảnh là một thiết bị bán dẫn, được tích hợp trong cảm biến thị giác. Cảm biến hình ảnh bao gồm nhiều cảm biến ảnh nhỏ trải dài trên chip nhận ánh sáng qua thấu kính và chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện.

Nói chung, cảm biến hình ảnh “CCD” và “C-MOS” được sử dụng cho máy ảnh. Cấu trúc cơ bản của các thiết bị đó được trình bày như sau

Máy ảnh màu

Cảm biến hình ảnh không có bộ lọc màu là cảm biến hình ảnh đơn sắc và nó cung cấp dữ liệu hình ảnh đơn sắc tỷ lệ xám. Để có dữ liệu hình ảnh màu, cần có bộ lọc màu cho mỗi pixel. Hầu hết các cảm biến hình ảnh màu sử dụng “bộ lọc Bayer” do ông Bryce Bayer ở Eastman Kodak phát minh ra.

Bộ lọc có vùng RGB (Đỏ, Xanh lục, Xanh lam) và tỷ lệ của nó là 50% Xanh lục, 25% Đỏ và 25% Xanh lam. Mắt người nhạy cảm với màu xanh lá cây nên tỷ lệ này mang lại hiệu quả đầu ra cho mắt người.

Cần bốn pixel để tái tạo màu cho một pixel đối với cảm biến hình ảnh màu có nghĩa là độ phân giải của cảm biến hình ảnh màu kém hơn cảm biến hình ảnh đơn sắc.

3. Pixel là gì?

Pixel – điểm ảnh là bộ phận nhỏ nhất của cảm biến hình ảnh. Điểm ảnh được trải rộng trong khu vực bề mặt chip của cảm biến hình ảnh như hình bên tay phải.

Càng nhiều pixel, bạn sẽ có thể nhận được độ phân giải cao hơn. Mặt khác, thời gian xử lý sẽ tăng lên.

Để rút ngắn thời gian xử lý, bạn có thể phải sử dụng CPU hoặc DSP tốc độ cao có thể gây ra chi phí cao hơn.

DSP = Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Trong trường hợp này, nó sẽ được sử dụng để xử lý hình ảnh.

Tổng số pixel / pixel hiệu dụng

Toàn bộ điểm ảnh của cảm biến hình ảnh là “Tổng số điểm ảnh” và điểm ảnh được sử dụng để chụp ảnh thực sự là “Điểm ảnh hiệu dụng”.

Hiệu suất máy ảnh dựa trên Pixel hiệu dụng. Thông thường, các điểm ảnh gần mép của chip sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu quang học, vì vậy các điểm ảnh Hiệu dụng ở khu vực bên trong của chip cảm biến hình ảnh sẽ được sử dụng thực tế.

4. Xử lý hình ảnh (binalization)

Trong trường hợp ảnh đơn sắc, bất kỳ màu nào sẽ được hiển thị ở mức từ đen đến trắng (thang màu xám). Binalization là phân biệt các màu thành đen hoặc trắng, tách biệt nhau theo một ngưỡng. Ví dụ sau đây cho thấy sự phân loại hai cấp của thang màu xám (0 đến 255) theo ngưỡng ở cấp 128.

5. Xử lý hình ảnh 2 (chia tỷ lệ xám)

Tuy nhiên, phân tích hai chiều biến hình ảnh gốc thành hình ảnh 2 cấp (đen hoặc trắng khi nó là hai cấp đơn sắc), tỷ lệ màu xám biến hình ảnh gốc thành hình ảnh nhiều cấp, ví dụ 256, 1024, 64 cấp.

Nó không chỉ được sử dụng cho hình ảnh đơn sắc mà còn cho bất kỳ hình ảnh màu đơn lẻ nào khác. Nhiều cấp độ phân cấp giúp thị giác máy phát hiện mọi thứ chính xác hơn.

6. Xử lý hình ảnh 3 (tìm kiếm mẫu)

Tìm kiếm mẫu là tìm kiếm hình dạng gần với hình ảnh được lưu trữ dưới dạng mẫu tìm kiếm trong hình ảnh đã chụp.

Nó cung cấp mức độ tương quan, mức độ giống của hình ảnh với mẫu tìm kiếm và tọa độ của hình ảnh.

7. Cảm biến tầm nhìn

Chức năng chính của cảm biến thị giác là chụp hình ảnh của đối tượng mục tiêu và kiểm tra hình ảnh so sánh với hình ảnh chính và sau đó xuất ra kết quả kiểm tra.

Nó có một máy ảnh với cảm biến hình ảnh, ví dụ như CCD (Charge Coupled Device), cảm biến hình ảnh CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) cung cấp dữ liệu hình ảnh kỹ thuật số để xử lý hình ảnh, ví dụ, khớp mẫu, đo lường, OCR …

8. Tính toán thời gian cửa trập

Thời gian mà cảm biến thị lực có thể sử dụng để xử lý hình ảnh và xác định kết quả là:

= Khoảng cách giữa các đối tượng / Tốc độ chạy của băng tải = 100(mm) : 100(mm / giây) = 1 giây.

1 giây là quá đủ để xử lý hình ảnh và xác định kết quả.

Thời gian có thể cho phép hình ảnh được chụp sẽ di chuyển trong khi màn trập đang mở:

= 1% chiều rộng của vùng phát hiện / Tốc độ chạy của băng tải = 1%20(mm)/100(mm/s) = 2 ms (2 mili giây)

2 mili giây là khoảng thời gian khá ngắn nên ánh sáng phải đủ sáng để chụp ảnh rõ nét trong trường hợp này.

9. Các đối tượng mà cảm biến thị giác khó phát hiện

9.1. Phát hiện sự khác biệt giữa các đối tượng có màu sáng

Nó rất khó phát hiện, đặc biệt là màu xanh lục nhạt, trắng và xám nhạt.

9.2. Ký tự nhỏ, dòng kẻ mảnh

Khi kích thước dòng kẻ gần bằng kích thước pixel (= chiều rộng của FOV / số pixel), máy ảnh sẽ không thể phát hiện đó là đường kẻ.

Ví dụ: khi chiều rộng của FOV là 50mm và số pixel ở đường nằm ngang là 200, kích thước của hình ảnh trên mỗi pixel là 0,25mm.

9.3. Đối tượng di chuyển nhanh

Khi các đối tượng chuyển động nhanh và thời gian chụp lâu, hình ảnh thu được sẽ bị mờ và không sắc nét.

Trong trường hợp đó, thời gian cửa trập phải ngắn và ánh sáng phải đủ sáng để máy ảnh có thể chụp ảnh rõ nét trong thời gian cửa trập ngắn như vậy.

9.4. Các vật thể có bề mặt bóng và không bằng phẳng

Sẽ rất khó để chụp được hình ảnh rõ nét khi vật thể là màng bóng, chai lọ trong suốt, lon (ống) kim loại có bề mặt bóng không bằng phẳng sẽ dễ bị phản xạ và phản xạ thay đổi.

Ánh sáng khuếch tán và bộ lọc phân cực sẽ giúp chụp ảnh rõ ràng trong một số trường hợp.

10. Các Ứng dụng của cảm biến thị giác

Cảm biến thị giác (Vision sensor) được ứng dụng rất rộng rãi, hầu như trong các ngành công nghiệp: Thức ăn, Đồ uống, hoá chất, mỹ phẩm, điện điện tử, ô tô, máy móc…

Một số ứng dụng điển hình:

10.1. Kiểm tra văn bản được in trên các túi bóng có màu sắc khác nhau

10.2. Kiểm tra sự tồn tại của mô tả thuốc

10.3. Kiểm tra sự tồn tại của rơ le trên mô-đun lắp ráp

10.4 Giám sát sắp xếp sô cô la

10.5 Phát hiện hướng của hộp carton

Có rất nhiều ứng dụng khác được Nhà sản xuất OPTEX FA liệt kê và minh hoạ, Bạn tham khảo thêm tại đây: https://www.optex-fa.com/tech_guide/vision/solution/

Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc Bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết được dịch từ: OPTEX FA

Bài viết cùng chuyên mục:

Chia sẻ Facebook