تکنیک های نورپردازی در پردازش تصویر
چگونه می‌توان بهترین روش نورپردازی در پردازش تصویر را برای یک کاربرد خاص بینایی ماشین تعیین کرد؟ در واقع چندین جنبه در انتخاب نورپردازی در پردازش تصویر باید در نظر گرفته شود تا با اطمینان نسبی بتوانید روشنایی مناسب برای سیستم بینایی خود را انتخاب کنید.
نورپردازی در پردازش تصویر چیست؟
نورپردازی در پردازش تصویر فرآیندی حیاتی در بینایی ماشین است که با استفاده هدفمند از منابع نوری مانند LEDهای ساختاریافته، کنتراست لازم برای آشکارسازی لبه‌ها، عیوب سطحی و ویژگی‌های هندسی اشیاء را فراهم می‌کند.
هدف اصلی نورپردازی در پردازش تصویر، حذف نویز محیطی و برجسته‌سازی اطلاعات مورد نظر از طریق تکنیک‌هایی نظیر نورپردازی میدان تاریک، هم‌محور یا پشت‌نما است تا الگوریتم‌های پردازشی بتوانند تحلیل دقیق‌تر و سریع‌تری ارائه دهند.
هدف کاربردی
انتخاب تکنیک مناسب نورپردازی در پردازش تصویر مستقیماً به ماهیت عیوب یا ویژگی‌هایی که باید استخراج کنید، وابسته است. برای مثال، اگر بخواهید سطح یک شیء را برای خواندن متن چاپ‌شده یا تشخیص عیوبی مانند خط و خش بازرسی کنید، به نورپردازی از سمت دوربین (نورپردازی روشنایی مستقیم یا Bright Field Lighting) نیاز دارید. باید زاویه تابش مناسب نور را همراه با سایر ویژگی‌های تکنیکال مانند نور پخش‌شده (Diffuse) برای سطوح بازتابنده یا نور مستقیم (Directional) برای ایجاد بافت، کاملاً بر اساس مشخصه‌های سطحی که قصد برجسته‌سازی آن‌ها را دارید، انتخاب کنید. این زیرشاخه از نورپردازی در پردازش تصویر، هنر مدیریت بازتاب‌ها برای افزایش کنتراست را به شما می‌آموزد.
از سوی دیگر، اگر هدف، اندازه‌گیری دقیق ابعادی (Dimensional Measurement) مانند قطر یک قطعه یا تشخیص موقعیت یک سوراخ عبوری باشد، بهترین استراتژی نورپردازی صنعتی که مهندسان برای حداکثرسازی کنتراست در لبه‌ها به کار می‌گیرند، نورپردازی پشت (Backlighting) خواهد بود. در این تکنیک کلاسیک، شما شیء را بین منبع نور و دوربین قرار می‌دهید تا تصویری با وضوح بالا (Silhouette) ایجاد کند و خطای اندازه‌گیری را به حداقل برساند. با این حال، پیچیدگی سیستم‌های نورپردازی در پردازش تصویر زمانی خود را نشان می‌دهد که با چالش‌هایی مانند مواد نیمه‌شفاف یا بسته‌بندی‌های چندلایه روبه‌رو می‌شوید. در چنین سناریوهایی، نمی‌توانید یک تکنیک منفرد را به سادگی انتخاب کنید و مهندس بینایی ماشین ناگزیر است راهکارهای ترکیبی (Hybrid Lighting) یا نورپردازی ساختاریافته (Structured Light) را برای تفکیک پس‌زمینه از المان‌های شفاف به کار گیرد. در نهایت، تسلط شما بر اصول نورپردازی در پردازش تصویر، مرز بین یک راهکار شکست‌خورده و یک سیستم بازرسی قدرتمند و پایدار را مشخص می‌کند.
زاویه تابش نور:
پس از تعیین مناسب‌ترین نوع روشنایی (جلو یا پشت)، باید زاویه برخورد نور به سطح شیء را تنظیم کنیم. اگرچه این زاویه می‌تواند متغیر باشد، اما دو زیرگروه مهم در روشنایی جلو و پشت وجود دارد: روشنایی میدان روشن و روشنایی میدان تاریک. چهارترکیب احتمالی ناشی از این دسته‌بندی در بخش‌های بعدی توضیح داده خواهند شد.
روشنایی میدان روشن با نور جلو
در این روش، نور بازتاب‌شده از سطح صاف توسط اپتیک سیستم جمع‌آوری می‌شود. این متداول‌ترین حالتی است که در آن ویژگی‌های غیرمسطح (مانند عیوب، خط‌وخش و غیره) می‌توانند نور را خارج از حداکثر زاویه پذیرش لنز پراکنده کنند و به‌صورت نواری تیره در پس‌زمینه‌ای روشن (میدان روشن) نمایش دهند (به تصاویر مراجعه کنید).
روشنایی میدان روشن با نور جلو می‌تواند توسط چراغ‌های خطی LED یا حلقه‌های نوری تولید شود که این انتخاب به تقارن سیستم بستگی دارد. در هر دو حالت، نور LED می‌تواند مستقیم یا پخش‌شده توسط یک واسط باشد (گاهی حالت دوم برای جلوگیری از روشنایی ناهمگون روی سطوح بازتابنده ترجیح داده می‌شود).
روشنایی میدان تاریک با نور جلو
در این روش، نور بازتاب شده توسط اپتیک سیستم جمع‌آوری نمی‌شود. به‌این‌ترتیب تنها نور پراکنده شده ثبت می‌گردد که موجب برجسته‌سازی ویژگی‌های غیرمسطح سطح به‌صورت نواحی روشن در پس‌زمینه‌ای تیره می‌شود.
این اثر معمولاً با استفاده از حلقه‌های نوری با زاویه تابش کم ایجاد می‌شود.
روشنایی میدان روشن با نور پس‌زمینه
در روشنایی میدان روشن با نور پس‌زمینه، نور یا توسط سطح متوقف می‌شود (در مواد کدر) یا از آن عبور می‌کند (در مواد شفاف).
در حالت اول، ما شاهد طرح کلی شیء خواهیم بود (شیء سیاه بر روی پس‌زمینه سفید). در حالت دوم، ویژگی‌های غیرمسطح شیء شفاف به‌صورت تیره بر روی پس‌زمینه سفید ظاهر می‌شوند. در حالت دوم، معمولاً کنتراست پایین است مگر اینکه سطوح شفاف دارای انحناهای تند باشند (مانند حباب‌های هوا در پلاستیک).
این تکنیک‌های روشنایی را می‌توان با استفاده از نورپردازهای پشتی یا نورپردازی‌های telecentric که به طور خاص برای کاربردهایی بادقت بالا طراحی شده‌اند به دست آورد.
روشنایی میدان تاریک با نور پس‌زمینه
در این روش، تنها نور عبوری از نمونه که توسط سطوح ناهموار پراکنده شده است؛ توسط سیستم اپتیکی جمع‌آوری می‌شود. این ویژگی باعث تقویت کنتراست و نمایش نواحی ناهموار به‌صورت نقاط روشن در برابر پس‌زمینه‌ای تیره می‌گردد. این نوع روشنایی معمولاً با استفاده از نورپردازهای حلقوی یا خطی که در پشت نمونه‌های شفاف قرار می‌گیرند، ایجاد می‌شود.
روشنایی هم‌محور
هنگامی که نور جلو به‌صورت عمود بر صفحه شیء به سطح برخورد کند، به آن روشنایی هم‌محور می‌گوییم. این نوع روشنایی می‌تواند به‌صورت موازی نیز باشد، به این معنی که پرتوهای نور موازی با محور اپتیکی هستند (در محدوده مشخصی از دقت).
برای دستیابی به این آرایش روشنایی، می‌توان از جعبه‌های هم محور در ترکیب با هر نوع لنز (فاصله ثابت، ماکرو یا telecentric) استفاده کرد. همچنین می‌توان از لنزهای telecentric با روشنایی هم محور داخلی بهره برد. تفاوت اصلی در میزان موازی‌سازی پرتوهاست که بر میزان کنتراست قابل‌دستیابی در تشخیص عیوب روی سطوح بسیار بازتابنده تأثیر می‌گذارد.
نورپردازی گنبدی و تونلی
برای بازرسی اشیا با هندسه منحنی پیچیده به‌منظور شناسایی ویژگی‌های سطحی خاص، نورپردازی جلویی با زوایای تابش متنوع مناسب‌ترین گزینه است. این روش از بازتاب‌های ناخواسته که منجر به نورپردازی ناهمگون می‌شوند؛ جلوگیری می‌کند. در چنین مواردی، چراغ‌های گنبدی (Dome lights) راه‌حل ایده‌آل محسوب می‌شوند؛ چرا که نور را تقریباً از تمامی جهات تأمین می‌کنند. در واقع، این چراغ‌ها گاهی با عنوان “روشن‌کننده روز ابری” نیز شناخته می‌شوند؛ زیرا نور یکنواخت، مشابه نور روز ابری ایجاد می‌کنند.
نوع دیگر نورپردازی، سیستم تونلی است که برای تأمین نور یکنواخت بر روی اشیای استوانه‌ای بلند و باریک طراحی شده است. این سیستم‌ها دارای دهانه‌ای دایره‌ای در قسمت فوقانی هستند (مانند چراغ‌های گنبدی).
راهکارهای ترکیبی و پیشرفته روشنایی
در برخی موارد برای بازرسی اشیا با هندسه بسیار پیچیده، نیاز به ترکیب چندین نوع روشنایی مختلف داریم تا بتوانیم عیوب سطحی را به طور مؤثر آشکارسازی کنیم. به‌عنوان‌مثال، ترکیب نور گنبدی (Dome)با نور زاویه پایین (Low Angle)می‌تواند روشنایی یکنواخت و کاملی در سراسر میدان دید ایجاد کند.
روشنایی Telecentric
روشنایی Telecentric در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد نیاز است، از جمله:
- بازرسی و جداسازی پرسرعت:
در ترکیب با لنز Telecentric ، این سیستم امکان زمان‌های نوردهی بسیار کوتاه را فراهم می‌کند که برای خطوط تولید پرسرعت ایده‌آل است.
- تصویربرداری سیلوئتی برای تشخیص دقیق لبه‌ها و تحلیل عیوب:
این روش، اندازه‌گیری بسیار دقیقی از اجسام ارائه می‌دهد.
- اندازه‌گیری اجسام استوانه‌ای بازتابنده:
نورپردازی‌های معمولی ممکن است باعث بازتاب‌های ناخواسته از لبه‌های اجسام گرد و براق شوند. این پدیده موجب می‌شود، اجسام کوچک‌تر از اندازه واقعی به نظر برسند. روشنایی Telecentric با استفاده از پرتوهای موازی، این “اثر حاشیه” را به حداقل می‌رساند در نتیجه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل‌اطمینان حاصل می‌شود.
- کاربردهای اندازه‌گیری دقیق:
در مواردی که دقت، تکرارپذیری و سرعت بالا عوامل کلیدی هستند، این تکنیک بهترین گزینه محسوب می‌شود.
استفاده از نور موازی شده در ترکیب با لنز telecentric ، عمق میدان طبیعی خود لنز telecentric را تقریباً 20 الی30% افزایش می‌دهد (البته این به عوامل دیگری مانند نوع لنز، طول موج نور و اندازه پیکسل نیز بستگی دارد).
علاوه بر این، به لطف اتصال نور عالی، فاصله بین جسم و منبع نور را می‌توان در صورت نیاز بدون تأثیر بر کیفیت تصویر افزایش داد. این به این دلیل اتفاق می‌افتد که روزنه عددی روشنگر (NA) کمتر از NA لنز تلسنتریک است.
بنابراین، سیستم نوری به‌گونه‌ای رفتار می‌کند که گویی لنز از نظر عمق میدان دارای همان NA با روشنگر است، درحالی‌که وضوح تصویری که توسط NA لنز تلسنتریک واقعی ارائه شده است را حفظ می‌کند.
اگر نیاز به بازرسی اجسام با لبه‌های منحنی دارید، نور هماهنگ بهترین انتخاب است. به همین دلیل، این روش نورپردازی به طور گسترده در سیستم‌های اندازه‌گیری لوله، پیچ، فنر، حلقه اورینگ و نمونه‌های مشابه استفاده می‌شود.
جهت اطلاعات بیشتر از لنز های telecentric اینجا کلیک کنید .
