Por qué la iluminación de su sistema de visión artificial probablemente es incorrecta (y cómo corregirla)

Según la Association for Advancing Automation (A3), la captura de imagen contribuye al 85% del éxito de un sistema de visión artificial. Y la iluminación es el factor individual más importante en la calidad de imagen.

Los ingenieros suelen dedicar semanas a elegir una cámara y minutos a elegir la iluminación. Comparan especificaciones de sensores, debaten el ancho de banda de la interfaz y se obsesionan con la velocidad de fotogramas. Luego cogen una luz anular del estante, la apuntan a la pieza y se preguntan por qué al software le cuesta detectar la característica que necesitan.

La iluminación no es un producto genérico. Es la decisión de diseño más importante de su sistema de visión, y la que más probabilidades tiene de ser incorrecta. Estos son los cinco errores de iluminación más comunes que 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 distintos ángulos de iluminación, puede verse completamente diferente. Un defecto invisible con una geometría puede resultar evidente con otra.

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

La iluminación de campo oscuro (ángulo bajo, normalmente menos de 20 grados respecto a la superficie) ilumina la superficie de modo que las zonas lisas no reflejan la luz hacia la cámara y aparecen oscuras. Las características de superficie como arañazos, bordes en relieve, grabados y texturas dispersan la luz de bajo ángulo hacia la cámara y aparecen brillantes sobre el fondo oscuro. Esta es la técnica correcta para detectar características geométricas de superficie, y es muchísimo más eficaz que el campo claro para este fin.

La diferencia entre campo claro y campo oscuro en la misma pieza es a menudo la diferencia entre un sistema que funciona y otro que no. Si le cuesta detectar características de superficie con una luz de ángulo alto, pruebe una luz de ángulo bajo antes de recurrir a software más complejo. La mejora en la calidad de imagen suele ser inmediata y notable.

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

2. No tener en cuenta la luz ambiental

Los entornos de fábrica no son estudios de iluminación controlada. La iluminación fluorescente o LED del techo, las ventanas con luz natural cambiante y los reflejos de los equipos cercanos aportan luz ambiental que interfiere con su iluminación estructurada. El resultado son imágenes inconsistentes, de modo que el sistema funciona en el turno de noche, cuando las luces de la fábrica están tenues y las ventanas oscuras, y empieza a producir rechazos falsos en el turno de día, cuando la luz del sol entra por los tragaluces.

Hay tres formas de lidiar con la luz ambiental, y deben usarse en combinación, no como alternativas.

Encierre 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 eficaz, y sorprende con qué frecuencia se pasa por alto. No tiene que ser elaborada. Incluso una pantalla de luz básica de chapa metálica o plástico impreso en 3D puede transformar la consistencia de sus imágenes.

Supere la luz ambiental. Utilice una iluminación significativamente más brillante que las condiciones ambientales, normalmente mediante el estroboscopiado del LED a alta intensidad durante un breve periodo sincronizado con la exposición de la cámara. Durante la breve ventana de exposición, la luz estructurada domina y la contribución ambiental se vuelve insignificante. El estroboscopiado también prolonga la vida de los LED, porque solo están encendidos una fracción del tiempo.

Utilice filtros ópticos. Un filtro de paso de banda en la lente de la cámara, adaptado a la longitud de onda de su iluminación LED, bloquea la luz de otras longitudes de onda. Esto es especialmente eficaz cuando la luz ambiental es de banda ancha (luz blanca del techo o luz natural) pero su luz de inspección es de banda estrecha (por ejemplo, un LED rojo a 630 nm con su correspondiente filtro de paso de banda rojo).

La frecuencia de la red eléctrica en el Reino Unido es de 50 Hz. Si su cámara funciona a una velocidad de fotogramas suficientemente alta, es posible capturar fotogramas durante los breves instantes en que la iluminación del techo está en su intensidad mínima. No es una solución fiable para producción, pero ilustra que la interferencia de la luz ambiental es un problema real y medible, no teórico.

3. Técnica incorrecta para la superficie

Superficies distintas necesitan enfoques de iluminación fundamentalmente distintos. Usar la misma técnica de iluminación para una carcasa de plástico mate y una etiqueta metálica brillante producirá una buena imagen de una y una imagen pésima de la otra.

Si no está seguro de qué técnica es la adecuada para su combinación de superficie y característica, la única forma fiable de averiguarlo es probarla con muestras reales. La iluminación es tanto un arte como una ciencia, y a veces la respuesta correcta no es la que uno espera. Hemos visto casos en los que una geometría de iluminación personalizada, diseñada específicamente para una tarea de inspección concreta, ha hecho trivial toda la parte de software.

La misma escena, mostrando los efectos de usar iluminación anular, coaxial, de cúpula y difusa plana.

4. Iluminación inconsistente en el campo de visión

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

Esto importa porque la mayoría de los algoritmos de visión artificial asumen una iluminación uniforme. Un umbral que funciona en el centro brillante de la imagen falla en los bordes más oscuros. Una detección de bordes fiable en un punto del campo de visión se vuelve ruidosa en otro. El resultado son rechazos falsos (el sistema ve problemas donde no los hay) o defectos no detectados (el sistema no puede detectar problemas reales en las zonas mal iluminadas).

La solución es sencilla. Utilice una iluminación que produzca una iluminación uniforme en todo el campo de visión. Las luces de barra situadas de forma simétrica, las luces de cúpula o las retroiluminaciones producen una iluminación más uniforme que una única fuente puntual. En aplicaciones de línea de barrido, una luz de línea uniforme es esencial, y el perfil de iluminación debe medirse en todo el ancho del sensor para confirmar la uniformidad antes de que el sistema entre en producción.

Si observa resultados de inspección inconsistentes que varían según la posición dentro de la imagen, compruebe la uniformidad de la iluminación antes de cambiar el software. Casi siempre es un problema de iluminación, no de algoritmo.

5. Usar iluminación continua cuando debería usar estroboscópica

La iluminación continua (el LED siempre encendido) es sencilla y barata. También es la opción incorrecta para cualquier aplicación en la que el objeto se mueva a velocidad. Un objeto en movimiento iluminado de forma continua produce desenfoque de movimiento, y ningún procesamiento de software puede recuperar el detalle que el desenfoque de movimiento destruye.

La iluminación estroboscópica (el LED emite un pulso breve e intenso sincronizado con la exposición de la cámara) congela el movimiento iluminando el objeto solo durante unos pocos microsegundos. Durante ese breve destello, el objeto se desplaza una distancia insignificante y la imagen queda nítida. Es el mismo principio que el flash de una cámara convencional, adaptado a las velocidades industriales.

El estroboscopiado tiene un beneficio adicional: como el LED solo está encendido una fracción del tiempo, puede alimentarse con una corriente mucho más alta durante el pulso de la que podría soportar de forma continua. Esto significa una iluminación más brillante durante la ventana de exposición, lo que permite tiempos de exposición más cortos, lo que a su vez reduce aún más cualquier desenfoque de movimiento residual. También prolonga la vida útil del LED, porque la disipación media de potencia es menor.

Para cualquier aplicación con objetos en movimiento sobre una cinta transportadora, una banda continua o una mesa rotativa, la iluminación estroboscópica sincronizada con el disparador 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 produce malas imágenes. Produce una cascada de costes que se acumulan durante toda la vida del sistema.

El software se vuelve más complejo porque los algoritmos tienen que esforzarse más para extraer características de una imagen ruidosa e inconsistente. El tiempo de desarrollo aumenta porque el ingeniero resuelve un problema de iluminación en el software en lugar de en el hardware. Las tasas de rechazo falso suben porque el sistema no puede distinguir de forma fiable los defectos reales de los artefactos de iluminación. El sistema se vuelve frágil porque cualquier pequeño cambio en las condiciones ambientales o en la orientación de la pieza hace que el software cuidadosamente ajustado falle. Y el equipo de ingeniería dedica tiempo a resolver un problema de algoritmo que en realidad es un problema de iluminación.

La solución casi siempre es más barata que el apaño. Una luz mejor, un ángulo distinto, una carcasa sencilla o el paso de iluminación continua a estroboscópica pueden transformar un sistema con problemas en uno fiable. El coste del cambio de iluminación se mide en cientos de libras. El coste del apaño en software se mide en semanas de tiempo de ingeniería.

Véalo usted mismo

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Si está especificando la iluminación para un nuevo proyecto, o resolviendo problemas de un sistema que no rinde como se esperaba, una demostración de iluminación es la hora más valiosa que puede invertir.

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