نورپردازی در بینایی ماشین | آشنایی با اصول اولیه نور
آشنایی با نورپردازی در بینایی ماشین
نورپردازی چیست؟
نورپردازی یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم بینایی ماشین است. انتخاب منبع نور مناسب برای کاربرد خاص بسیار حیاتی است؛ تا اطمینان حاصل شود که سیستم بینایی ماشین وظایف خود را به‌صورت پایدار و قابل‌اطمینان انجام می‌دهد.
دلیل اصلی این است که نورپردازی نامناسب منجر به ازدست‌رفتن اطلاعات می‌شود که در اکثر موارد، امکان بازیابی آنها از طریق نرم‌افزار ممکن نیست. به همین دلیل، انتخاب اجزای نورپردازی باکیفیت از اهمیت بالایی برخوردار است. هیچ الگوریتم نرم‌افزاری قادر به آشکارسازی ویژگی‌هایی که به‌درستی نورپردازی نشده‌اند، نیست.
برای انتخاب مناسب‌ترین گزینه، باید پارامترهای مختلفی را در نظر گرفت، از جمله:
- هندسه نورپردازی
- نوع منبع نور
- طول‌موج
ویژگی‌های سطح ماده مورد بررسی یا اندازه‌گیری
- شکل قطعه
- سرعت قطعه (کاربرد درون‌خطی یا خارج خط)
- محدودیت‌های مکانیکی
- ملاحظات محیطی
- هزینه
ازآنجاکه پارامترهای بسیاری باید در نظر گرفته شوند، این انتخاب می‌تواند چالش‌برانگیز باشد و گاهی خردمندانه‌ترین راهکار، انجام مطالعات امکان‌سنجی با انواع مختلف نور برای آشکارسازی ویژگی‌های مورد نظر است. از سوی دیگر، راهکارهای ساده و بهترین روش‌ها وجود دارند که می‌توانند به انتخاب نور مناسب و بهبود کیفیت تصویر کمک کنند.
برای هر کاربرد، اهداف اصلی به شرح زیر است:
- حداکثرکردن کنتراست (ویژگی‌هایی که باید بازرسی یا اندازه‌گیری شوند)
- حداقل کردن کنتراست (ویژگی‌های نامرتبط)
- حذف تغییرات ناخواسته ناشی از نور محیط و تفاوت‌های بین قطعات که به وظیفه بازرسی مرتبط نیستند.
نور و انواع آن در بینایی ماشین
در بینایی ماشین، نور عمدتاً بر اساس طول‌موج آن مشخص می‌شود که معمولاً بر حسب نانومتر (nm) بیان می‌گردد. در اصل، نور نوعی تابش الکترومغناطیسی در بخش خاصی از طیف الکترومغناطیسی محسوب می‌شود.
نور می‌تواند به دو صورت اصلی وجود داشته باشد:
تک رنگ نما (Quasi-monochromatic)
- در این حالت، نور در محدوده باریکی از طول‌موج (معمولاً یک‌رنگ خاص) ساطع می‌شود.
- مثال: نور قرمز با طول‌موج ۶۵۰ نانومتر.
سفید (White)
- این نور در تمام طیف مرئی پخش شده و حاوی تمام‌رنگ‌ها است.
- مثال: نور LED سفید که ترکیبی از طول‌موج‌های مختلف است.
نور مرئی برای چشم انسان دارای طول‌موج در محدوده ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است که بین مادون‌قرمز (طول‌موج بلندتر) و فرابنفش (طول‌موج کوتاه‌تر) قرار می‌گیرد. بااین‌حال، برخی کاربردهای خاص ممکن است به‌جای نور مرئی، از نور مادون‌قرمز (IR) یا فرابنفش (UV) استفاده کنند.
اساساً، نور با مواد از طریق سه مکانیسم اصلی تعامل می‌کند:
- انعکاس
- انتقال
- جذب
هنگامی که نور از میان محیط‌های مختلف عبور می‌کند، دچار شکست (انکسار) می‌شود؛ یعنی جهت آن تغییر می‌کند. میزان این شکست با طول‌موج نور رابطه عکس دارد؛ به‌عبارت‌دیگر، نور بنفش (با طول‌موج کوتاه‌تر) بیش از نور قرمز (با طول‌موج بلندتر) خم می‌شود. این بدان معناست که نور با طول‌موج کوتاه‌تر (مثل آبی یا بنفش) در برخورد با سطوح، آسان‌تر پراکنده می‌شود و بنابراین عموماً برای کاربردهای بازرسی سطح مناسب‌تر است.
مثال‌های کاربردی بر اساس طول‌موج:
- نور آبی (طول موج‌کوتاه ~۴۵۰-۴۹۵ نانومتر):
ایده‌آل برای تشخیص خط و خش‌های ریز روی سطوح، زیرا پراکندگی زیاد آن جزئیات سطح را بهتر آشکار می‌کند.
- نور قرمز (طول موج بلند ~۶۲۰-۷۵۰ نانومتر):
برای تقویت مواد شفاف (مثل شیشه یا پلاستیک) مناسب است، زیرا کمتر پراکنده شده و به عمق ماده نفوذ می‌کند.
نورپردازی LED
انواع مختلفی از منابع نور در سیستم‌های بینایی ماشین موجود است که مهم‌ترین آنها شامل موارد زیر می‌شود:
لامپ‌های التهابی (رشته‌ای)
لامپ‌های فلورسنت
نورپردازی LED
لامپ‌های التهابی (رشته‌ای)
این لامپ‌های شناخته‌شده حاوی یک حباب شیشه‌ای پر از گاز بی‌اثر (معمولاً آرگون) هستند که در آن یک سیم نازک فلزی با عبور جریان الکتریکی تا دمای بالا گرم می‌شود. فلز گداخته، نور را در طیف گسترده‌ای از ۴۰۰ نانومتر تا مادون‌قرمز ساطع می‌کند. نتیجه، نور سفید و گرم (معادل دمای ۲۸۷۰ کلوین) است که همراه با آن مقدار قابل‌توجهی گرما نیز تولید می‌شود.
لامپ‌های فلورسنت
این لامپ‌ها شامل لوله‌های خلأ هستند که در ابتدا نور فرابنفش از طریق تعامل بین بخار جیوه و الکترون‌های پرانرژی تولیدشده توسط کاتد ایجاد می‌شود. سپس این نور توسط دیواره‌های لوله که با مواد فلورسنت و فسفرسانس پوشش داده شده‌اند، جذب شده و مجدداً در طیفی که کل محدوده مرئی را پوشش می‌دهد، تابش می‌کنند. نتیجه، یک منبع نور سفید “سردتر” است.
LED دیودهای نورافشان
LEDها نور را از طریق ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره در پیوند نیمه‌هادی تولید می‌کنند. نور تولیدشده توسط LED به مواد استفاده‌شده در تراشه نیمه‌هادی بستگی دارد و با طیف باریکی مشخص می‌شود، یعنی تقریباً تک‌رنگ است.
نور سفید LED
LEDها به طور طبیعی منابع تولید نور سفید نیستند؛ آنها نور تقریباً تک‌رنگ (تک طول‌موج) ساطع می‌کنند.
دو روش اصلی برای تولید نور سفید با LED :
- ترکیب چند LED تک‌رنگ (مثلاً قرمز، سبز و آبی) برای ایجاد سیستم RGB و تولید نور سفید.
- استفاده از پوشش فسفر زرد روی قطعه LED با طول‌موج کوتاه (آبی یا فرابنفش) تا نور سفید از ترکیب نور آبی و زرد ایجاد شود.
روش دوم محبوب‌تر است ؛ زیرا بازدهی بالاتر نسبت به سیستم RGB ارائه می‌دهد. برای دستیابی به دمای رنگ‌های مختلف، می‌توان طول‌موج LED، ترکیب و ضخامت پوشش فسفر را تغییر داد.
کاربرد نور سفید در تصویربرداری
استفاده از نور سفید فقط باید به مواردی محدود شود که پاسخ رنگی واقعا ضروری است (و البته همراه با دوربین رنگی). در سایر موارد، نور سفید عملکرد سیستم نوری را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد، زیرا:
- Chromatic Aberrations به وجود می‌آید.
- کاهش وضوح در سنسورهای رنگی رخ می‌دهد.
منبع تغذیه و خروجی LED
نورپردازی LED را می‌توان یا با تنظیم ولتاژ (V) در مدار، یا با تزریق مستقیم جریان الکتریکی به مدار کنترل کرد. ملاحظات مهم:
- شار نوری تولیدشده توسط یک LED تقریباً به‌صورت خطی با افزایش جریان زیاد می‌شود، اما این رابطه برای ولتاژ صدق نمی‌کند.
عدم قطعیت 1% در جریان محرک به 1% عدم قطعیت روشنایی تبدیل می‌شود، در حالی که عدم قطعیت 1% در ولتاژ ورودی می‌تواند منجر به تغییر چند درصدی تصویر شود. به همین دلیل پیشنهاد می‌شود که جریان را مستقیماً تنظیم کنید؛ تا نور خروجی پایدار، به شدت کنترل شده و پایدار شود.
برای مثال، در کاربردهای اندازه‌گیری، به‌دست‌آوردن تصاویر با پس‌زمینه خاکستری پایدار برای اطمینان از سازگاری نتایج بسیار مهم است. این امر با اجتناب از سوسوزدن نور و اطمینان از کنترل دقیق جریان LED جلوی نور telecentric به دست می‌آید.
کاربرد LED پالسی و استروبی
می‌توان از LEDها برای ایجاد نور مداوم استفاده کرد و جریان عبوری از دستگاه را ثابت نگه داشت. از سوی دیگر، LEDها را می‌توان به‌راحتی در یک رژیم پالسی (روشن/خاموش) هدایت کرد و می‌توان آنها را به ترتیب روشن و خاموش و تنها در مواقع لزوم آنها را روشن کرد.
استفاده از LEDها در حالت پالس مزایای زیادی دارد:
- افزایش طول عمر آنها.
- کاهش اتلاف برق
- کاهش گرمایش مولد.
حالت استروبی (Strobed Mode)
همچنین می‌توان LEDها را با شدت‌های بالاتر از مقادیر نامی (به‌اصطلاح Overdrive) به کار گرفت. که در این حالت فقط برای مدت‌زمان محدودی نور بیشتری تولید می‌شود. به این حالت کاری، «حالت استروبی» گفته می‌شود.
برای استفاده صحیح از چراغ LED، چند پارامتر باید در نظر گرفته شود:
حداکثر عرض پالس یا زمان روشن
حداکثر مدت زمانی که می‌توان چراغ LED را در حداکثر جریان روبه‌جلو روشن کرد.
چرخه وظیفه D به‌صورت (معمولاً در درصد بیان می‌شود) تعریف می‌شود:
چگونه حداکثر روشنایی را برای فرکانس‌های استروبینگ مختلف تعیین کنیم؟
نکته کلیدی در راه‌اندازی LED در حالت استروبی این است که از حد مجاز توان ماکزیمم LED تجاوز نشود. توان تلف شده در دستگاه با معادله زیر محاسبه می‌شود:
محاسبه این معادله در حالت نوردهی پیوسته به‌سادگی انجام می‌شود. اما در حالت استروبی، باید زمان‌های روشن‌شدن Turn-on و خاموش‌شدن Turn-off ؛ LED نیز در محاسبات لحاظ شوند.
به‌عنوان‌مثال، حداکثر جریان راه اندازه‌گیری 8/1 امپر و حداکثر زمان روشنایی برابر با 1ms در هنگام استروبینگ در 15 هرتز است. در این حالت حداکثر جریان متوسط LED برابر است با:
جریان را می‌توان به‌صورت زیر محاسبه کرد:
یا به روشی دیگر با استفاده از تعریف چرخه وظیفهD:
با جایگزینی حداکثر جریان، زمان روشن و فرکانس strobing را به دست می‌آوریم:
هنگام استفاده از این روشن‌کننده نباید از این جریان بیشتر شود.
برای مثال: درصورتی‌که بخواهیم با فرکانس ۳۰ هرتز (دو برابر فرکانس قبلی) کار کنیم:
لازم است زمان روشن را به 0.5 میلی ثانیه کاهش دهیم (نصف زمان روشن قبلی)، به طوری که حاصل ضرب حداکثر جریان 8/1 آمپر با دو داده جدید (30 هرتز و 0.5 میلی ثانیه) از مقدار mA27 تجاوز نکند.
طول عمر LED
طول عمر یک LED به‌عنوان زمانی تعریف می‌شود تا درخشندگی LED در دمای محیط 25 درجه سانتیگراد به 50٪ از درخشندگی اولیه خود کاهش یابد.
هنگام برخورد با برنامه‌های آنلاین، برخی از پارامترهای مهم وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. به طور خاص، بسته به‌سرعت جسم و وضوح تصویر مورد نیاز برای برنامه، زمان اکسپوژر دوربین باید همیشه روی حداقل تنظیم شود تا حرکت ثابت شود و از تار شدن تصویر جلوگیری شود. همچنین این امر در اشیا سیاه و مات که تمایل به جذب نور به‌جای بازتاب نور دارند؛ بسیار مهم هستند.
به‌عنوان‌مثال، فرض کنید یک شیء که با سرعت حرکت می کند را با استفاده از یک لنز با بزرگنمایی m و یک دوربین با اندازه پیکسل p بررسی کنید.
سرعت جسم روی حسگر m ضربدر خواهد بود:
بنابراین، فضای طی شده توسط جسم xi در طول زمان نوردهی t xi = vi t است. اگر این فضا بزرگ‌تر از اندازه پیکسل باشد، جسم روی تعداد معینی پیکسل تار به نظر می‌رسد. فرض کنید ما می‌توانیم تاری 3 پیکسلی را بپذیریم:
به‌طوری‌که زمان نوردهی دوربین t لازم است:
به‌عنوان مثال، با استفاده از اندازه پیکسل p = 5.5 میکرومتر، بزرگنمایی m = 0.66 و سرعت شیء vo = 300 میلی‌متر بر ثانیه (یعنی سرعت خطی معادل 10,800 نمونه در ساعت در میدان دید 100 میلی‌متری)، حداکثر زمان نوردهی مجاز t = 83 میکروثانیه محاسبه می‌شود. در چنین سرعتی، میزان نور ساطع‌شده از روشن‌کننده LED در حالت کار پیوسته معمولاً کافی نیست . بنابراین استفاده از روشن‌کننده به‌صورت استروب با مدت‌زمان معادل، بهترین راهکار است.
پارامتر دیگری که می‌توان برای افزایش نور ورودی به سیستم تنظیم کرد، عدد دیافراگم لنز (F/#) است. با کاهش این عدد، نور بیشتری جمع‌آوری می‌شود؛ اما این کار عمق میدان سیستم را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، ممکن است کیفیت تصویر نیز کاهش یابد، زیرا به‌طورکلی عملکرد لنز در مرکز بهتر از لبه‌هاست که منجر به کاهش کلی sharpness می‌شود. افزایش gain دوربین راهکار دیگری است، اما این روش همیشه مقداری نویز به تصویر اضافه می‌کند و در نتیجه تصویری باکیفیت پایین‌تر حاصل می‌شود که جزئیات کمتری در آن قابل‌تشخیص است.
در نتیجه، همواره انتخاب مؤلفه‌های روشنایی با شدت نور کافی یک روش کارآمد است و امکان نمایش صحیح ویژگی‌های مورد نظر شیء تحت بازرسی (در ترکیب با لنزهایی که عدد دیافراگم آنها در مقدار بهینه تنظیم شده است) بدون نیاز به افزایش دیجیتالی gain دوربین را فراهم می‌کند
در نتیجه، انتخاب اجزای روشنایی کافی همیشه یک تمرین خوب است و به شما این امکان را می‌دهد که به‌درستی ویژگی‌های مورد علاقه شیء مورد بازرسی را هنگام استفاده در ترکیب با لنزهای تنظیم شده در F/# بهینه و بدون نیاز به افزایش دیجیتالی بهره دوربین، آشکار کنید.
