Pourquoi l'éclairage de votre système de vision industrielle est probablement mauvais (et comment y remédier)

Selon l'Association for Advancing Automation (A3), l'acquisition d'image contribue à 85% du succès d'un système de vision industrielle. Et l'éclairage est le facteur le plus déterminant de la qualité d'image.

Les ingénieurs passent souvent des semaines à choisir une caméra et quelques minutes à choisir l'éclairage. Ils comparent les spécifications des capteurs, débattent de la bande passante de l'interface et se tourmentent sur les cadences d'images. Puis ils prennent un éclairage annulaire sur l'étagère, le dirigent vers la pièce et se demandent pourquoi le logiciel peine à détecter l'élément dont ils ont besoin.

L'éclairage n'est pas un produit banalisé. C'est la décision de conception la plus importante de votre système de vision, et celle qui a le plus de risques d'être mauvaise. Voici les cinq erreurs d'éclairage les plus courantes que nous rencontrons, et comment corriger chacune.

1. Mauvaise géométrie : l'angle change tout

L'angle sous lequel la lumière frappe l'objet détermine ce que voit la caméra. Ce n'est pas un effet subtil. La même pièce, sous la même caméra mais avec des angles d'éclairage différents, peut avoir un aspect totalement différent. Un défaut invisible sous une géométrie peut devenir flagrant sous une autre.

L'éclairage en champ clair (angle élevé, généralement de 30 à 60 degrés par rapport à la verticale) éclaire la surface de sorte que les zones lisses et planes renvoient la lumière vers la caméra et apparaissent claires. Il convient bien à un éclairage polyvalent d'objets à contraste relativement élevé. Le problème est que, sur les surfaces lisses, le champ clair crée des reflets spéculaires qui peuvent masquer l'élément à inspecter.

L'éclairage en champ sombre (angle faible, généralement moins de 20 degrés par rapport à la surface) éclaire la surface de sorte que les zones lisses ne renvoient pas la lumière vers la caméra et apparaissent sombres. Les éléments de surface comme les rayures, les arêtes en relief, le gaufrage et la texture diffusent la lumière rasante vers la caméra et apparaissent clairs sur le fond sombre. C'est la technique adaptée pour détecter les éléments géométriques de surface, et elle est nettement plus efficace que le champ clair à cette fin.

La différence entre champ clair et champ sombre sur la même pièce est souvent la différence entre un système qui fonctionne et un qui ne fonctionne pas. Si vous peinez à détecter des éléments de surface avec une lumière à angle élevé, essayez une lumière à angle faible avant de recourir à un logiciel plus complexe. L'amélioration de la qualité d'image est souvent immédiate et spectaculaire.

La même pièce, mais la broche pliée est clairement visible sur l'image de gauche.

2. Ne pas tenir compte de la lumière ambiante

Les environnements d'usine ne sont pas des studios à éclairage contrôlé. L'éclairage fluorescent ou LED au plafond, les fenêtres à la lumière du jour changeante et les reflets des équipements voisins apportent tous une lumière ambiante qui interfère avec votre éclairage structuré. Le résultat, ce sont des images incohérentes : le système fonctionne pendant l'équipe de nuit, quand les lumières de l'usine sont tamisées et les fenêtres sombres, puis se met à produire des faux rejets pendant l'équipe de jour, quand le soleil entre par les lanterneaux.

Il existe trois façons de gérer la lumière ambiante, et elles doivent être utilisées en combinaison, non comme des alternatives.

Enfermez la zone d'inspection. Un capot, un cache ou un caisson autour de la caméra et de l'éclairage empêche la lumière extérieure d'atteindre la pièce pendant l'inspection. C'est la solution la plus simple et la plus efficace, et il est surprenant de voir à quel point elle est souvent négligée. Elle n'a pas besoin d'être élaborée. Même un simple écran anti-lumière en tôle ou en plastique imprimé en 3D peut transformer la constance de vos images.

Surpassez la lumière ambiante. Utilisez un éclairage nettement plus intense que les conditions ambiantes, généralement en faisant clignoter (stroboscoper) la LED à haute intensité pendant une courte durée synchronisée avec l'exposition de la caméra. Pendant la brève fenêtre d'exposition, la lumière structurée domine et la contribution ambiante devient négligeable. Le stroboscopage prolonge aussi la durée de vie des LED, car elles ne sont allumées qu'une fraction du temps.

Utilisez des filtres optiques. Un filtre passe-bande sur l'objectif de la caméra, accordé à la longueur d'onde de votre éclairage LED, bloque la lumière des autres longueurs d'onde. C'est particulièrement efficace lorsque la lumière ambiante est à large bande (lumière blanche au plafond ou lumière du jour) alors que votre lumière d'inspection est à bande étroite (par exemple une LED rouge à 630 nm avec un filtre passe-bande rouge correspondant).

La fréquence du secteur au Royaume-Uni est de 50 Hz. Si votre caméra fonctionne à une cadence d'images suffisamment élevée, il est possible de capturer des images pendant les brefs instants où l'éclairage au plafond est à son intensité minimale. Ce n'est pas une solution fiable en production, mais cela illustre que l'interférence de la lumière ambiante est un problème réel et mesurable, non théorique.

3. Mauvaise technique pour la surface

Des surfaces différentes exigent des approches d'éclairage fondamentalement différentes. Utiliser la même technique d'éclairage pour un boîtier plastique mat et une étiquette métallique brillante donnera une bonne image de l'un et une image désastreuse de l'autre.

Si vous ne savez pas quelle technique convient à votre combinaison surface/élément, la seule façon fiable de le déterminer est de la tester avec de vrais échantillons. L'éclairage est autant un art qu'une science, et parfois la bonne réponse n'est pas celle que l'on attend. Nous avons vu des cas où une géométrie d'éclairage sur mesure, conçue spécifiquement pour une tâche d'inspection donnée, a rendu toute la partie logicielle triviale.

La même scène, montrant les effets d'un éclairage annulaire, coaxial, en dôme et diffus plat.

4. Éclairage inégal sur le champ de vision

Une source lumineuse ponctuelle unique, ou une lumière trop proche de l'objet, crée un éclairage inégal sur le champ de vision. Le centre de l'image est clair, les bords sont sombres, et le logiciel doit compenser un gradient de luminosité qui ne devrait pas exister.

C'est important car la plupart des algorithmes de vision industrielle supposent un éclairage uniforme. Un seuil qui fonctionne au centre clair de l'image échoue sur les bords plus sombres. Une détection de contours fiable en un point du champ de vision devient bruitée en un autre. Le résultat, ce sont soit des faux rejets (le système voit des problèmes là où il n'y en a pas), soit des défauts manqués (le système ne peut pas détecter de vrais problèmes dans les zones mal éclairées).

La solution est simple. Utilisez un éclairage qui produit une illumination uniforme sur tout le champ de vision. Des barres lumineuses positionnées symétriquement, des éclairages en dôme ou des rétroéclairages produisent tous une illumination plus uniforme qu'une source ponctuelle unique. Pour les applications de balayage linéaire, une lumière de ligne uniforme est essentielle, et le profil d'éclairage doit être mesuré sur toute la largeur du capteur pour confirmer l'uniformité avant la mise en production du système.

Si vous constatez des résultats d'inspection incohérents qui varient selon la position dans l'image, vérifiez l'uniformité de l'éclairage avant de modifier le logiciel. C'est presque toujours un problème d'éclairage, pas un problème d'algorithme.

5. Utiliser un éclairage continu alors qu'il faudrait stroboscoper

L'éclairage continu (la LED est toujours allumée) est simple et bon marché. C'est aussi le mauvais choix pour toute application où l'objet se déplace à vitesse. Un objet en mouvement éclairé en continu produit un flou de mouvement, et aucun traitement logiciel ne peut récupérer le détail que le flou de mouvement détruit.

L'éclairage stroboscopique (la LED émet une impulsion brève et intense synchronisée avec l'exposition de la caméra) fige le mouvement en n'éclairant l'objet que pendant quelques microsecondes. Pendant ce bref éclair, l'objet se déplace d'une distance négligeable et l'image est nette. C'est le même principe qu'un flash sur une caméra classique, adapté aux vitesses industrielles.

Le stroboscopage présente un avantage supplémentaire : comme la LED n'est allumée qu'une fraction du temps, elle peut être alimentée à un courant bien plus élevé pendant l'impulsion que ce qu'elle pourrait supporter en continu. Cela signifie un éclairage plus intense pendant la fenêtre d'exposition, ce qui permet des temps d'exposition plus courts, ce qui réduit encore le flou de mouvement résiduel. Cela prolonge aussi la durée de vie de la LED, car la dissipation de puissance moyenne est plus faible.

Pour toute application impliquant des objets en mouvement sur un convoyeur, une bande continue ou une table rotative, l'éclairage stroboscopique synchronisé avec le déclenchement de la caméra devrait être la règle, pas l'exception.

Le vrai coût d'un mauvais éclairage

Un mauvais éclairage ne produit pas seulement de mauvaises images. Il produit une cascade de coûts qui s'accumulent tout au long de la vie du système.

Le logiciel devient plus complexe parce que les algorithmes doivent travailler davantage pour extraire des éléments d'une image bruitée et incohérente. Le temps de développement augmente parce que l'ingénieur résout un problème d'éclairage dans le logiciel plutôt que dans le matériel. Les taux de faux rejets augmentent parce que le système ne peut pas distinguer de manière fiable les vrais défauts des artefacts d'éclairage. Le système devient fragile parce que le moindre changement des conditions ambiantes ou de l'orientation de la pièce fait échouer le logiciel soigneusement réglé. Et l'équipe d'ingénierie passe du temps à diagnostiquer un problème d'algorithme qui est en réalité un problème d'éclairage.

La correction est presque toujours moins chère que le contournement. Un meilleur éclairage, un angle différent, un simple caisson ou le passage d'un éclairage continu à un éclairage stroboscopique peut transformer un système en difficulté en un système fiable. Le coût du changement d'éclairage se compte en centaines de livres. Le coût du contournement logiciel se compte en semaines de temps d'ingénierie.

Constatez-le par vous-même

La meilleure façon de comprendre l'impact de l'éclairage sur votre application précise est de le voir. Les laboratoires Insights de Clearview sont entièrement équipés d'éclairages d'Advanced Illumination et ProPhotonix dans toutes les géométries et longueurs d'onde, y compris éclairages annulaires, barres lumineuses, dômes, rétroéclairages, éclairages axiaux diffus et configurations sur mesure. Nous pouvons démontrer le champ clair contre le champ sombre, le continu contre le stroboscopique, et différentes longueurs d'onde sur vos échantillons de production réels.

Si vous spécifiez l'éclairage d'un nouveau projet, ou si vous diagnostiquez un système qui ne fonctionne pas comme prévu, une démonstration d'éclairage est l'heure la plus précieuse que vous puissiez investir.

Réservez une démonstration d'éclairage au laboratoire Insights : info@clearview-imaging.com | +44 (0)1844 217270