Por qué la iluminación de tu sistema de visión artificial seguramente está mal (y cómo arreglarla)

Según la Association for Advancing Automation (A3), la imagen capturada contribuye al 85% del éxito de un sistema de visión artificial. Y la iluminación es el factor que más afecta a la calidad de imagen.

Los ingenieros suelen dedicar semanas a elegir la cámara y minutos a elegir la iluminación. Comparan especificaciones de sensores, discuten sobre ancho de banda y se obsesionan con el frame rate. Luego cogen una luz en anillo del estante, la apuntan a la pieza y se preguntan por qué al software le cuesta detectar lo que necesitan.

La iluminación no es un componente genérico. Es la decisión de diseño más importante de todo el sistema de visión, y la que más papeletas tiene de estar mal resuelta. Estos son los cinco errores de iluminación que más vemos, y cómo corregir cada uno.

1. Geometría incorrecta: el ángulo lo cambia todo

El ángulo con el que la luz incide sobre el objeto determina lo que ve la cámara. No es un efecto sutil. La misma pieza, con la misma cámara y distinto ángulo de iluminación, puede verse completamente diferente. Un defecto invisible con una geometría resulta evidente con otra.

La iluminación Bright Field (ángulo alto, normalmente de 30 a 60 grados respecto a la vertical) ilumina la superficie de forma que las zonas lisas y planas reflejan la luz hacia la cámara y aparecen brillantes. Funciona bien como iluminación de uso general para objetos con contraste relativamente alto. El problema es que, en superficies lisas, el Bright Field genera reflejos especulares que pueden ocultar justo el detalle que quieres inspeccionar.

La iluminación Dark Field (ángulo bajo, normalmente menos de 20 grados respecto a la superficie) ilumina la superficie de forma que las zonas lisas no reflejan luz hacia la cámara y aparecen oscuras. Los detalles de superficie (arañazos, bordes en relieve, grabados, texturas) dispersan la luz de ángulo bajo hacia la cámara y aparecen brillantes sobre el fondo oscuro. Es la técnica correcta para detectar detalles geométricos de superficie, y es muchísimo más eficaz que el Bright Field para eso.

La diferencia entre Bright Field y Dark Field sobre la misma pieza suele ser la diferencia entre un sistema que funciona y uno que no. Si te cuesta detectar detalles de superficie con una luz de ángulo alto, prueba una de ángulo bajo antes de dedicarle tiempo a un software más complejo. La mejora en la calidad de imagen suele ser inmediata y muy visible.

La misma pieza, pero el pin doblado se ve con claridad en la imagen de la izquierda.

2. No tener en cuenta la luz ambiente

Una fábrica no es un estudio con la iluminación perfectamente controlada. Los fluorescentes o LED del techo, las ventanas con luz natural cambiante y los reflejos de los equipos cercanos aportan luz ambiente que interfiere con tu iluminación estructurada. El resultado son imágenes inconsistentes, por lo que el sistema funciona en el turno de noche, con las luces bajas y sin luz a través de las ventanas, y empieza a dar falsos rechazos en el turno de día, cuando entra el sol por las luminarias.

Hay tres formas de lidiar con la luz ambiente, y hay que usarlas combinadas, no como alternativas.

Cubre la zona de inspección. Una campana, cubierta o carcasa alrededor de la cámara y la iluminación impide que la luz externa llegue a la pieza durante la inspección. Es la solución más sencilla y la más eficaz, y sorprende la frecuencia con la que no se implementa. No hace falta que sea elaborada: una pantalla básica de chapa o de plástico impreso en 3D ya cambia totalmente la consistencia de las imágenes.

Supera la luz ambiente. Usa una iluminación mucho más brillante que las condiciones del entorno, normalmente con disparo en modo estroboscópico: el LED se dispara a alta intensidad durante un tiempo corto sincronizado con la exposición de la cámara. Durante esa breve ventana, la luz estructurada domina y la aportación ambiente se vuelve despreciable. La iluminación estroboscópica además alarga la vida del LED, porque solo está encendido una fracción del tiempo.

Usa filtros ópticos. Un filtro paso banda en la óptica de la cámara, ajustado a la longitud de onda de tu iluminación LED, bloquea el resto de longitudes de onda. Funciona especialmente bien cuando la luz ambiente es de banda ancha (luz blanca de techo o luz natural) y tu luz de inspección es de banda estrecha (por ejemplo, un LED rojo de 630 nm con su correspondiente filtro paso banda rojo).

La red eléctrica en España funciona a 50 Hz. Si la cámara va a un frame rate suficientemente alto, es posible capturar imágenes justo en los instantes en que la iluminación del techo está en su mínimo. No es una solución fiable para producción, pero sirve para ver que la interferencia de la luz ambiente es un problema real y medible, no teórico.

3. Técnica equivocada para la superficie

Superficies distintas piden enfoques de iluminación radicalmente distintos. Usar la misma técnica para una carcasa de plástico mate y para una etiqueta metálica brillante te dará una buena imagen de una y una imagen pésima de la otra.

Si no tienes claro qué técnica encaja con tu combinación de superficie y detalle, la única forma fiable de saberlo es probarla con muestras reales. La iluminación tiene tanto de arte como de ciencia, y a veces la respuesta correcta no es la que esperas. Hemos visto casos en los que una geometría de iluminación diseñada a medida para una inspección concreta ha dejado toda la parte de software en algo trivial.

La misma escena con luz en anillo, coaxial, de domo y difusa plana.

4. Iluminación desigual en el campo de visión

Una fuente de luz puntual, o una luz demasiado cerca del objeto, produce una iluminación desigual en el campo de visión. El centro de la imagen sale brillante, los bordes salen oscuros, y el software tiene que compensar un gradiente de brillo que no debería existir.

Esto es importante porque casi todos los algoritmos de visión artificial dan por hecho que la iluminación es uniforme. Un umbral que funciona en el centro brillante de la imagen falla en los bordes oscuros. Una detección de bordes fiable en un punto del campo de visión se vuelve ruidosa en otro. El resultado son falsos rechazos (el sistema ve problemas donde no los hay) o defectos que se escapan (no detecta problemas reales en las zonas mal iluminadas).

La solución es sencilla: usa una iluminación que sea uniforme en todo el campo de visión. Unas barras de LED colocadas de forma simétrica, un domo o un backlight dan una iluminación mucho más uniforme que una fuente puntual. En aplicaciones de captura lineal, una luz de línea uniforme es imprescindible, y conviene medir el perfil de iluminación a lo ancho de todo el sensor para confirmar la uniformidad antes de que el sistema entre en producción.

Si ves resultados de inspección que cambian según la posición dentro de la imagen, comprueba la uniformidad de la iluminación antes de tocar el software. Casi siempre es un problema de iluminación, no de algoritmo.

5. Usar iluminación continua cuando deberías usar estroboscópica

La iluminación continua (el LED siempre encendido) es sencilla y barata. También es la opción equivocada para cualquier aplicación en la que el objeto se mueva rápido. Un objeto en movimiento con luz continua produce desenfoque por movimiento, y ningún procesamiento posterior recupera el detalle que ese desenfoque destruye.

La iluminación estroboscópica (el LED emite un pulso breve e intenso sincronizado con la exposición de la cámara) congela el movimiento porque solo ilumina el objeto durante unos microsegundos. En ese intervalo el objeto se desplaza una distancia despreciable y la imagen sale nítida. Es el mismo principio que el flash de una cámara convencional, llevado a velocidades industriales.

El disparo en modo estrobe tiene una ventaja añadida: como el LED solo está encendido una fracción del tiempo, se le puede meter mucha más corriente durante el pulso de la que aguantaría en continuo. Eso significa más luz durante la ventana de exposición, lo que permite exposiciones más cortas, lo que a su vez reduce todavía más el desenfoque por movimiento residual. Y alarga la vida útil del LED, porque la potencia media disipada es menor.

En cualquier aplicación con objetos en movimiento sobre cinta transportadora, banda continua o mesa rotativa, la iluminación estroboscópica sincronizada con el trigger de la cámara debería ser la opción por defecto, no la excepción.

El coste real de equivocarse con la iluminación

Una mala iluminación no solo genera malas imágenes. Genera una cascada de costes que se acumula durante toda la vida del sistema.

El software se complica, porque los algoritmos tienen que forzar mucho más para extraer información de una imagen ruidosa e inconsistente. El tiempo de desarrollo se dispara, porque el ingeniero está resolviendo en software un problema de hardware. Los falsos rechazos suben, porque el sistema no distingue de forma fiable un defecto real de un artefacto creado por la iluminación. El sistema se vuelve frágil porque cualquier cambio pequeño en las condiciones del entorno o en la orientación de la pieza echa por tierra todo el trabajo de ajuste de software. Y el equipo de ingeniería se pasa el día persiguiendo un problema de algoritmo que en realidad es un problema de luz.

Solucionar el problema de raíz casi siempre sale más barato que intentar solucionarlo con parches. Una luz mejor, otro ángulo, una carcasa sencilla o pasar de iluminación continua a estroboscópica pueden convertir un sistema que va justo en uno fiable. El cambio de iluminación se mide en unos cientos de euros. El ajuste de software se mide en semanas de ingeniería.

Compruébalo tú mismo

La mejor forma de entender el impacto de la iluminación en tu aplicación concreta es verlo. El Insights Lab de Clearview está equipado con iluminación de Advanced Illumination y ProPhotonix en todas las geometrías y longitudes de onda: luz en anillo, barras de LED, domos, backlights, luces coaxiales difusas y configuraciones a medida. Podemos enseñarte Bright Field frente a Dark Field, continua frente a estroboscópica y distintas longitudes de onda con tus propias muestras de producción.

Si estás especificando la iluminación de un proyecto nuevo, o peleándote con un sistema que no rinde como esperabas, una demo de iluminación es la hora mejor invertida que vas a encontrar.

Reserva una demo de iluminación en el Insights Lab: info@clearview-imaging.com | +34 951 962 868