Aumente la calidad de la producción:las imágenes digitales de alta velocidad mejoran la visión artificial tradicional

La visión artificial es una herramienta comprobada de control de procesos para una variedad de aplicaciones de automatización industrial. Tradicionalmente, esta tecnología integra sensores de imágenes, módulos de iluminación y procesadores comerciales listos para usar (COTS) para guiar, inspeccionar o identificar piezas a medida que avanzan a lo largo de las líneas de producción. En comparación con los operadores humanos, los sistemas de visión artificial son rápidos, precisos y repetibles, lo que mejora la calidad del producto, reduce las tasas de desechos y aumenta la productividad en entornos de fabricación de ritmo rápido.

Si bien los beneficios operativos son claros, las imágenes digitales de alta velocidad amplían aún más los beneficios, las capacidades y los casos de uso de la visión artificial. Gracias a su alta resolución, rápidas velocidades de cuadros y capacidades de transmisión, las cámaras de alta velocidad permiten la visión artificial en aplicaciones desafiantes que requieren análisis en tiempo real o tiempos de registro prolongados, como la fabricación de semiconductores, lanzamientos de transbordadores espaciales, inspección de ferrocarriles y más. Por estas razones, los sistemas de visión artificial de alta velocidad capturan lo que los sistemas de visión tradicionales no pueden captar, arrojando luz sobre procesos demasiado pequeños o demasiado rápidos para ser vistos por el ojo humano.

Características clave de las cámaras de visión artificial de alta velocidad

Las cámaras de visión artificial de alta velocidad se diferencian de las cámaras de visión artificial tradicionales en varios aspectos. En lugar de sensores COTS o dispositivos de carga acoplada (CCD), las cámaras de alta velocidad integran sensores semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) diseñados a medida. Cuando se diseñan específicamente para aplicaciones de alta velocidad, los sensores CMOS ofrecen una velocidad y sensibilidad inigualables, lo que permite inspecciones más detalladas y mayores rendimientos en aplicaciones de visión artificial como detección de defectos, medición de piezas y más. Las cámaras de visión artificial de alta velocidad que incorporan sensores CMOS con múltiples megapíxeles logran una calidad de imagen excepcional incluso a velocidades de cuadros desafiantes.

Características deseables

Las cámaras de visión artificial de alta velocidad están ganando terreno en aplicaciones de ciencias biológicas, pruebas balísticas, impresión 3D y más.

No basta con que las cámaras de visión artificial vayan más rápido; deben estar diseñados para manejarlo. Además de las rápidas velocidades de fotogramas que superan los 67 000 fps, es importante tener en cuenta las siguientes características al seleccionar cámaras de alta velocidad para aplicaciones de visión artificial:

Resolución: Las cámaras de visión artificial Phantom incorporan sensores CMOS de hasta 9 megapíxeles. Estos sensores de varios megapíxeles, junto con los pequeños tamaños de píxeles de las cámaras, producen imágenes más detalladas a velocidades de cuadro rápidas.

Sensibilidad a la luz: Generalmente, cuanto menor sea el tamaño del píxel, mayor será el detalle de la imagen, lo cual es especialmente importante en aplicaciones que requieren un microscopio. Los sensores CMOS presentan tamaños de píxeles tan pequeños como 5,6 micrómetros, lo que da como resultado un ISO nativo alto. Como resultado, estas cámaras logran una excelente calidad de imagen a pesar de los bajos tiempos de exposición necesarios para aplicaciones de visión artificial de alta velocidad.

Tiempo de exposición: Las cámaras fantasma tienen tiempos de exposición de tan solo 1 microsegundo. Esta capacidad, junto con una alta sensibilidad a la luz y tamaños de píxeles pequeños, congela suficientemente el movimiento a alta velocidad y elimina el desenfoque por movimiento.

Rango dinámico: El rango dinámico entra en juego cuando una imagen tiene muchos matices o cuando un sujeto tiene casi el mismo color que su fondo. Cuanto mayor sea el rango dinámico de una cámara, más definición de sombreado podrá detectar el sensor. Las cámaras de visión artificial fantasma tienen un rango dinámico de entre 54,8 y 59,7 decibeles, lo que las hace adecuadas para aplicaciones más oscuras como la inspección de semiconductores.

Además de sensores altamente personalizados, las cámaras de visión artificial de alta velocidad utilizan tecnología de cable de cobre CoaXPress (CXP), lo que les permite transferir grandes cantidades de datos a captadores de fotogramas backend compatibles y estándar de la industria en tiempo real. Esta capacidad de transmitir datos instantáneamente evita el lento proceso de guardar datos en la RAM limitada de la cámara antes de descargarlos a una computadora. Cuando se combinan con unidades DVR disponibles en el mercado, estas cámaras de transmisión también admiten aplicaciones de grabación más largas en el sector aeroespacial, como dinámica de cohetes, dinámica de aviones y balística, solo por nombrar algunas.

El protocolo CXP6 es actualmente el método de transferencia de datos estándar más rápido. Cada cable de cobre alcanza velocidades de transferencia de datos de 6,25 gigabits por segundo desde la cámara hasta la máquina receptora de fondo. El estándar CXP12 más reciente duplica esta tasa, lo que hace que CXP6 y CXP12 sean ideales para cámaras que requieren un alto rendimiento.

Gracias a su sensibilidad a la luz y su rápida velocidad de cuadros, las cámaras de transmisión de alta calidad son ideales para la inspección de semiconductores.

Si bien la mayoría de las cámaras de visión artificial proporcionan hasta 2 gigapíxeles por segundo de rendimiento de datos, las cámaras de transmisión más rápidas del mundo logran velocidades de transferencia directa de datos de hasta 9 gigapíxeles por segundo. Estas cámaras dividen y transmiten imágenes por filas, luego unen cada imagen usando un algoritmo simple, lo que hace posible velocidades de cuadro y resoluciones más altas. Al confiar en GenICam, una interfaz de programación genérica, estas cámaras también facilitan la configuración y la integración en sistemas existentes.

Configuraciones en tiempo real frente a configuraciones de registro largo

La configuración del backend en los sistemas de visión artificial de alta velocidad depende de una serie de variables, incluida la velocidad de fotogramas, la resolución y el tiempo de grabación requeridos. Para análisis en tiempo real, los usuarios pueden utilizar hasta 16 canales CXP6 estándar en la cámara de transmisión. Mientras que los cables CXP6 permiten comunicaciones de hasta 68 metros, los conectores de fibra óptica alcanzan distancias más largas de hasta 200 kilómetros. Los usuarios también pueden utilizar la entrada/salida de uso general (GPIO) de la cámara para una señalización y sincronización rápidas y flexibles.

Otros componentes de hardware y software incluyen:

• Capturador de cuadros específico de la aplicación y tarjeta capturadora de cuadros CXP6;

• Software, incluida la API de captura de cuadros, Matlab®, LABVIEW o cualquier herramienta de visión de posprocesamiento;

• Hardware de procesamiento de imágenes, normalmente un microprocesador GPU o FPGA;

• Una computadora con ranuras PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.

Si bien la mayoría de las aplicaciones de alta velocidad se realizan en cientos de milisegundos, las aplicaciones de visión artificial pueden requerir tiempos de grabación más prolongados (de varios minutos a media hora, por ejemplo) para adaptarse a eventos como los lanzamientos de transbordadores espaciales. Para superar los desafíos de almacenamiento asociados con una cantidad tan grande de datos, las cámaras de visión artificial de alta velocidad pueden transmitir datos directamente a una unidad DVR, que cuenta con múltiples terabytes de espacio. Esta configuración plug-and-play permite a los usuarios almacenar fácilmente los datos entrantes para analizarlos más adelante.

Expansión de las aplicaciones tradicionales de visión artificial

Gracias a las cámaras de visión artificial de alta velocidad, los fabricantes pueden lograr imágenes con mayor resolución y precisión de grabación. Estas características aumentan la velocidad de la línea y los volúmenes de producción, disminuyen los cuellos de botella y reducen los costos por unidad. Al mismo tiempo, estas cámaras de transmisión pueden capturar objetivos a escala nanométrica que de otro modo serían difíciles de ver (y mucho menos analizar) utilizando cámaras de visión artificial tradicionales, transformando la visión artificial de una herramienta de control de procesos a una herramienta de diagnóstico. Como resultado, la visión artificial está ganando terreno en industrias como las ciencias biológicas, la fabricación de semiconductores, la farmacéutica y más.

Algunas de las áreas de aplicación más recientes para la visión artificial de alta velocidad incluyen:

Inspección de semiconductores: Las cámaras de visión artificial de alta velocidad están desempeñando un papel cada vez más importante en la fabricación de semiconductores, una industria impulsada por el rendimiento. Específicamente, identifican y señalan rápidamente los defectos de las piezas tan pronto como surgen, lo que reduce los costos y el tiempo de inactividad relacionados con los defectos, mejora el rendimiento y mantiene los tiempos de inspección al mínimo.

Las cámaras de visión artificial de alta calidad logran el equilibrio necesario entre sensibilidad a la luz, relación señal-ruido y velocidades de fotogramas rápidas que requieren las aplicaciones de semiconductores, que normalmente implican escalas de tamaño submicrónico. Con una resolución completa de 4096 × 2304, la cámara de transmisión Phantom S990, por ejemplo, presenta tamaños de píxeles de 6,75 μm, ruido de 9,6e y velocidades de grabación de 938 fps, lo que genera imágenes de alta calidad que permiten al software de imágenes detectar variaciones sutiles entre las áreas claras y oscuras que indican un defecto.

Espectrómetros de alta velocidad: Utilizados en muchas aplicaciones de alimentos y bebidas, farmacéuticas y agrícolas, los espectrómetros de alta velocidad difractan la luz blanca en varias longitudes de onda para crear un espectro de absorción, lo que permite detectar la presencia de ciertos materiales. Una aplicación emergente para este proceso implica la verificación de la composición química de tabletas farmacéuticas mediante cámaras de visión artificial de alta velocidad. Las cámaras graban las tabletas mientras se mueven a lo largo de una cinta transportadora. Luego, basándose en la luz difractada, absorbida y transmitida que llega a la lente, la cámara puede detectar tabletas defectuosas y, al mismo tiempo, mantener las líneas de producción en movimiento.

Gracias a sus rápidas velocidades de grabación y sensibilidad a la luz, las cámaras de transmisión de alta velocidad son ideales para esta aplicación emergente. Además de proporcionar un método de inspección sin contacto, estas cámaras pueden inspeccionar fácilmente docenas de tabletas dentro del mismo campo de visión simultáneamente, mejorando el rendimiento en operaciones farmacéuticas críticas.

Funciones de la cámara de transmisión

En las aplicaciones de transmisión de visión artificial, los datos de imágenes fluyen directamente a un capturador de cuadros y a una PC o un DVR de grabación larga a través de la tecnología de cable CXP. Los usuarios pueden acceder inmediatamente a estos datos, ya sea para una aplicación en tiempo real o para un registro largo, y están limitados únicamente por la cantidad de almacenamiento en la PC o DVR.

• Otras características de las cámaras de transmisión de alta velocidad incluyen:

• Profundidad de bits configurable:8/12 bits, 8/10 bits

• Alimentado por tecnología CXP6 para algunos streamers que consumen menos de 27 voltios

• Cumplimiento de GenICam para una fácil integración

• Compatibilidad con capturadores de fotogramas PCIe3 CXP6

• GPIO proporciona funciones de señalización comunes y avanzadas

• Transferencia de datos escalable para necesidades de datos reducidas

Inspección ferroviaria: Las cámaras de visión artificial de alta velocidad tienen el potencial de cambiar la forma en que se inspeccionan los sistemas ferroviarios. A diferencia de las cámaras de visión artificial tradicionales, que pierden un tiempo valioso durante el año debido a la lluvia, la nieve o las tormentas de polvo, las cámaras de transmisión proporcionan la alta velocidad de fotogramas, la resolución y la sensibilidad a la luz necesarias para ver en condiciones climáticas difíciles. A diferencia de la mayoría de las cámaras, también manejan luz blanca sin el uso de filtros de lente adicionales.

Otras áreas de aplicación emergentes para las cámaras de transmisión incluyen las ciencias biológicas, como el diagnóstico celular; identificación de viales y hemólisis; pruebas balísticas; soldadura láser; e impresión 3D.

Este artículo fue escrito por Uma Gobena, ingeniera de aplicaciones de visión, Vision Research (Wayne, Nueva Jersey). Para obtener más información, visita aquí  .