Hệ thống kiểm tra hình ảnh
Trong sản xuất công nghiệp, chất lượng của sản phẩm thường được kiểm tra bằng hình ảnh sau khi quá trình sản xuất kết thúc. Nếu quá trình kiểm tra này được thực hiện bởi con người thì sẽ mất rất nhiều thời gian và làm tăng giá thành sản phẩm.
Xu hướng trong công nghiệp đó là tự động hóa quá trình kiểm tra chất lượng bằng hình ảnh, cho phép giảm giá thành và tối đa hóa đầu ra.
Ví dụ trong ngành sản xuất ô tô hoặc các sản phẩm y dược phải cần kiểm tra 100% sản phẩm xuất xưởng. Để làm được điều này thì phương pháp thực tế nhất chính là xử lý ảnh công nghiệp.
Các ứng dụng:
Các ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thống xử lý ảnh công nghiệp đó là kiểm tra tự động và chỉ dẫn robot. Các ứng dụng thông thường của hệ thống xử lý ảnh bao gồm: bảo đảm chất lượng, phân loại, xử lý vật liệu, chỉ dẫn robot và đo quang học.
Phân loại các hệ thống xử lý ảnh công nghiệp
Phụ thuộc vào các ứng dụng khác nhau mà khách hàng có thể lựa chọn các loại hệ thống xử lý ảnh khác nhau, gồm có:

• Cảm biến hình ảnh
• Các cảm biến xử lý ảnh ứng dụng riêng
• Hệ thống quang học xử lý ảnh
• Giải pháp quang học đặt hàng theo yêu cầu

Chúng ta hãy cùng xem xét các hệ thống xử lý ảnh này để thấy được sự giống và khác nhau giữa chúng.
Cảm biến hình ảnh 
 Một cảm biến hình ảnh gồm có một camera, ống kính, đèn chiếu sáng và bộ xử lý hình ảnh. Tất cả nằm trong vỏ của bộ cảm biến hình ảnh.
Giao diện người dùng có thể chạy trên nền PC hoặc trong một vài trường hợp, sử dụng màn hình giao diện tùy chọn được thiết kế riêng cho sản phẩm cảm biến quang học.
Trong cả hai trường hợp, người dùng có thể thiết lập nhiều công cụ chiếu sáng và công cụ phát hiện, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đơn giản.
1.  Kích thước nhỏ gọn
2.  Đèn chiếu sáng tích hợp
3.  Camera và ống kính tích hợp
4.  Bộ xử lý hình ảnh tích hợp
Các hệ thống xử lý ảnh ứng dụng riêng
Một hệ thống xử lý ảnh ứng dụng riêng là hệ thống đã được tối ưu hóa cho một mục đích cụ thể ví dụ như hệ thống đọc mã vạch hoặc hệ thống theo dõi chuyển động cho ứng dụng “nhặt và đặt”.
Hệ thống xử lý ảnh ứng dụng riêng có thể cần một thiết bị chiếu sáng chuyên biệt cho môi trường làm việc của cảm biến.
Công cụ lập trình hệ thống xử lý hình ảnh cũng được tối ưu hóa cho các thông số thích hợp với ứng dụng.
Một Hệ thống xử lý ảnh được thiết kế để thực hiện các tác vụ phức tạp hơn một cảm biến hình ảnh thông thường.
Một hệ thống xử lý ảnh thường có thể kết hợp với nhiều camera và thiết bị chiếu sáng; có thể được lập trình để thực hiện các tác vụ phức tạp bao gồm nhận diện mẫu và hình dạng với vị trí xắp đặt một cách ngẫu nhiên.
Thêm vào đó, bộ điều khiển xử lý ảnh là một thành phần riêng biệt và có nhiều chủng loại; trong số đó có loại được tối ưu hóa cho ứng dụng kiểm tra phát hiện tốc độ cao.

Hệ thống xử lý hình ảnh tân tiến hỗ trợ nhiều loại công nghệ phần cứng và phần mềm để phục vụ các ứng dụng hình ảnh phức tạp. Các tính năng đặc thù của hệ thống xử lý hình ảnh tân tiến bao gồm:

• Thuật toán tiên tiến phát hiện phế phẩm
• Khả năng xử lý hình ảnh tốc độ cao
• Các tùy chọn camera và thiết bị chiếu sáng
• Giải pháp kết nối mạng dựa trên các tiêu chuẩn mở
• Phần mềm chạy trên máy tính công nghiệp để thiết lập cấu hình, vận hành và giao tiếp truyền thông
• Giao diện người dùng đồ họa có thể tùy biến

 
Giải pháp xử lý hình ảnh theo cấu hình tùy chọn

Một giải pháp xử lý hình ảnh theo cấu hình tùy chọn có thể được lên cấu hình từ nhà chế tạo máy hoặc nhà tích hợp hệ thống để tìm giải pháp cho một ứng dụng xử lý hình ảnh công nghiệp chuyên biệt.
Ví dụ như, máy phát hiện xếp chồng sử dụng trong công nghiệp bán dẫn có thể được thiết kế sử dụng một hệ thống xử lý hình ảnh tiên tiến; được lập trình bởi nhà chế tạo máy dành riêng cho ứng dụng đặc thù đó.
Chức năng cơ bản của hệ thống xử lý hình ảnh theo cấu hình tùy chọn sẽ giúp người vận hành giảm thiểu các bước lựa chọn và cài đặt phức tạp. Bởi vì chúng được thiết kế sẵn cho những ứng dụng đặc thù theo yêu cầu của khách hàng.
 

Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lý hình ảnh

Tất cả các hệ thống xử lý ảnh về cơ bản đều bao gồm các thành phần sau đây:

Thành phần chiếu sáng: Thiết bị chiếu sáng được sử dụng với mục đích đảm bảo hình ảnh của đối tượng cần kiểm tra thể hiện được các đặc điểm mong muốn và điều kiện chiếu sáng đó phải được duy trì không đổi cho các lần kiểm tra khác, thậm chí khi môi trường sáng xung quanh thay đổi.

Ống kính: Ống kính là một thành phần quang học tạo nên hình ảnh của vật thể trên bề mặt cảm biến nằm trong máy ảnh. Nó hoàn toàn quyết định tầm quan sát và nhiều thông số quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh kiểm tra.

Camera: Camera biến đổi hình ảnh quang học thành một chuỗi các giá trị số. Hình ảnh được biểu diễn bằng một số các điểm đơn được gọi là điểm ảnh; điểm ảnh có một giá trị cho cả màu sắc và cường độ sáng.

Bộ xử lý: Bộ xử lý có khả năng so sánh các giá trị màu sắc và cường độ sáng của các điểm ảnh với các giới hạn đạt hoặc không đạt đã được định trước để tính toán kết quả kiểm tra. Kết quả này sau đó được đưa ra ở dạng I/O số hoặc qua các phương tiện truyền thông tới PLC để tiếp tục điều khiển.

Thiết bị chiếu sáng

Để tạo được điều kiện ánh sáng ổn định và đáp ứng được với thay đổi của ánh sáng môi trường xung quanh, hệ thống xử lý ảnh phải cần tới các trang thiết bị chiếu sáng chuyên dụng.
Việc chiếu sáng phải được cài đặt sao cho hình ảnh thu được bằng camera phải cho thấy rõ các đặc điểm cần kiểm tra với độ tương phản cao.
Việc cài đặt chiếu sáng là một trong những phần quan trọng nhất trong quá trình lắp đặt một hệ thống xử lý ảnh và yêu cầu phải có kinh nghiệm và thử cài đặt các loại đèn khác nhau để thực hiện các phương pháp chiếu sáng đa dạng.
Ống kính
 Ống kính là sự kết hợp của nhiều thấu kính riêng rẽ, hoạt động cùng nhau nhằm thu được các đặc tính hình ảnh cụ thể. Ống kính tạo nên hình ảnh của vật thể cần kiểm tra trên cảm biến máy ảnh.
Ống kính cũng quyết định khoảng cách làm việc, tầm quan sát, khả năng hội tụ và lượng ánh sáng đi tới cảm biến. Có nhiều loại ống kính khác nhau và có thể lắp vào camera thông qua ngàm nối đa năng c-mount cho phép cung cấp lựa chọn quang học tốt nhất cho ứng dụng.
Trong hầu hết các trường hợp ống kính có thể được điều chỉnh bằng tay để thay đổi tiêu cự, độ mở sáng, và cả khả năng phóng to hoặc thu nhỏ ảnh.
Trong một vài trường hợp các bộ lọc quang được sử dụng phía trước ống kính để cải thiện chất lượng hình ảnh bằng việc tăng sự phân cực hình ảnh hoặc lọc một số màu cụ thể của ánh sáng.
Camera
Camera có nhiệm vụ chụp ảnh và biến đổi nó thành dữ liệu số để sử dụng trong việc tính toán tại bộ xử lý. Chất lượng của camera chủ yếu được quyết định bởi việc sử dụng loại cảm biến hình ảnh nào.
Cảm biến hình ảnh là một thành phần bán dẫn phức tạp bao gồm nhiều thành phần nhạy sáng. Những yếu tố ảnh này (Pixels) được xắp xếp trong một khuôn hình chữ nhật. Toàn bộ số điểm ảnh được xắp xếp theo cả hai chiều ngang và dọc quyết định tới độ phân giảicủa máy ảnh.
Để gửi dữ liệu hình ảnh tới bộ xử lý, một đường truyền thông số như camera link, firewire (Tiêu chuẩn IEEE1394) hoặc Ethernet sẽ được sử dụng.
 
Hình ảnh đơn sắc và hình màu
Có các loại máy ảnh cho hình ảnh màu và hình ảnh đơn sắc. Máy ảnh đơn sắc chỉ có thể cho các hình có màu tối và xám mà không có thông tin về màu sắc.
Các cảm biến hình ảnh màu có cấu tạo tương tự với các cảm biến đơn sắc, tuy nhiên có thêm các bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trên các điểm ảnh theo một định dạng nhất định. Bằng cách này sẽ tạo ra một hình ảnh nhiều màu sắc.
Điểm ảnh màu bao gồm cả giá trị sáng và giá trị màu sắc, cả hai giá trị này đều có thể xử lý được nhờ hệ thống xử lý ảnh.

Nếu trong máy ảnh có một cảm biến hình ảnh đơn, độ phân giải của một hình ảnh màu sẽ thấp hơn so với hình ảnh đơn sắc. Nguyên nhân là do không phải màu sắc nào cũng có thể cảm nhận bởi các điểm ảnh. Việc suy giảm độ phân giải có thể được bù đắp bằng các phương pháp toán học nội suy ở một mức độ thích hợp.
Các loại máy ảnh màu đắt tiền có 3 cảm biến riêng biệt, một cho màu đỏ, một cho màu xanh biển và cuối cùng là màu xanh lá cây. Tất cả các điểm ảnh trên mỗi cảm biến được sử dụng cho 3 màu tương ứng đó, tạo nên một máy ảnh đa cảm biến có độ phân giải rất cao ứng với các màu cơ bản.
Ví dụ: Thiết bị kiểm tra quang học tự động của Omron dùng cho công nghiệp dán linh kiện điện tử sử dụng một máy ảnh đa cảm biến với độ phân giải cao sẽ được sử dụng và tất cả các dữ liệu sẽ được xử lý với đầy đủ màu sắc.
 
Bộ xử lý
Bộ não chính là bộ xử lý hình ảnh thu được từ mắt người. Hệ thống xử lý ảnh sử dụng một bộ vi xử lý hay một bộ xử lý tín hiệu số – DigitalSignal Processor (DSP). Mục đích của bộ xử lý là nghiên cứu hình ảnh để kiểm tra những đặc điểm của một vật thể xác định.
Do hình ảnh bao gồm một lượng lớn dữ liệu nên cần sử dụng một bộ xử lý tốc độ cao để đáp ứng được yêu cầu về thời gian kiểm tra.
Trước đây, các bộ vi xử lý và vi điều khiển tuần tự không thể đáp ứng đủ khả năng xử lý. ASICs (mạch tích hợp ứng dụng riêng) đã từng được sử dụng để nhận biết các hoạt động phức tạp. Ngày nay, với sự phát triển của bộ xử lý tốc độ cao, đa lõi, đa tác vụ, đã đáp ứng được công suất yêu cầu với giá thành phần cứng thấp hơn.
Các phần mềm chuyên dùng được sử dụng để phát hiện vị trí của đường cạnh, đo màu sắc hoặc độ sáng, tìm vị trí các hình ảnh thành phần được lưu trữ. Theo cách này, kích thước, hướng, quá trình lắp ráp hoàn thiện, vv… có thể được xác định một cách tin cậy, phù hợp, và tự động.
Click hình dưới để xem :

 
 
 

 
Lựa chọn ống kính
Đối với mỗi ứng dụng, loại ống kính lựa chọn phải phù hợp với kích thước của vật thể được kiểm tra và khoảng cách giữa vật thể và camera.
Trong một vài ứng dụng, ta phải cần tới các ống kính đặc biệt. Ví dụ, để đo đạc hình học một cách chính xác, ta sử dụng một ống kính tele để loại bỏ khả năng méo ảnh do khoảng cách trong tầm quan sát của camera 
Trong hầu hết các trường hợp, ống kính có một vòng điều chỉnh lấy nét vàđộ mở sáng. Một số ống kính cũng có khả năng điều chỉnh phóng to, thu nhỏ.
Sử dụng ống mở rộng tiêu cự giữa máy ảnh và ống kính để thay đổi khoảng cách giữa ống kính và cảm biến. Điều này cũng làm tăng kích cỡ hình ảnh giống như ống kính có khả năng phóng đại (zoom).
Khóa học trực tuyến B018 Thiết bị quang học sẽ giới thiệu cho các bạn định nghĩa về tiêu cự, tầm quan sát, độ mở của ống kính… và các thông số này ảnh hưởng như thế nào tới hình ảnh thu được của máy ảnh.
Chiếu sáng
Loại và vị trí chiếu sáng là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới độ ổn định và chính xác của việc kiểm tra vật thể.
Trong hệ thống xử lý ảnh, hình ảnh phải được chiếu đủ sáng và ánh sáng phải đồng đều, bằng nhau, hình ảnh phải có độ tương phản tốt và phải được lấy nét phù hợp.
Việc chiếu sáng ảnh hưởng tới nhiều thông số kiểm tra khác, các thông số này sẽ được giải thích chi tiết trong bài Chiếu sáng trong hệ thống quang học.
Bài giới thiệu Thiết bị quang học sẽ làm rõ các định nghĩa về tiêu cự, tầm nhìn, độ mở ống kính và ảnh hưởng của các thông số này tới hình ảnh thu được từ máy ảnh. 
Gắn camera
Vị trí của máy ảnh thường phụ thuộc vào hình dạng của máy móc mà nó được gắn lên. Trong hầu hết các trường hợp, không gian bị giới hạn do đó vị trị gắn máy ảnh không thể lựa chọn một cách tùy ý.
Sự kết hợp giữa ống kính, chiếu sáng, vị trí máy ảnh phải cho một hình ảnh rõ ràng với độ tương phản tốt. Hơn nữa kích cỡ hình ảnh phải đủ lớn để cho phép kiểm tra với độ phân giải mong muốn. 
Điểm kích hoạt
Hệ thống xử lý ảnh kiểm tra những hình ảnh chụp được rõ nét của vật thể và so sánh những chi tiết của hình ảnh thu được với các tiêu chí kiểm tra đạt hoặc không đạt. Quyết định đạt hoặc không đạt phụ thuộc vào việc vật thể có đáp ứng được tất cả các tiêu chí kiểm tra hay không.
Tuy nhiên do các vật thể thường chuyển động trong quá trình sản xuất công nghiệp, camera phải được kích hoạt bằng các tín hiệu bên ngoài để chụp được hình ảnh rõ nét trong khoảng thời gian phù hợp. 
Tín hiệu kích hoạt đảm bảo rằng vật thể nằm trong tầm quan sát và đồng thời vị trí nằm trong khoảng sai số chấp nhận được. Tín hiệu kích hoạt trong hầu hết các trường hợp được tạo ra bởi cảm biến vòng quay, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, hoặc cũng có thể từ bộ xử lý hình ảnh.
Thỉnh thoảng, camera cũng có thể phát tín hiệu kích hoạt cho thiết bị chiếu sáng để tạo xung ánh sáng đồng bộ với hình ảnh được chụp. Điều này giúp chống nhiễu do ánh sáng bên ngoài và phát ra cường độ sáng lớn hơn so với khi dùng kiểu chiếu sáng liên tục. 
 
Cài đặt phép đo
Nhiều hệ thống xử lý ảnh được cấu hình bằng việc lựa chọn các thông số sử dụng để quyết định việc kiểm tra có đạt hay không. Người sử dụng lựa chọn các công cụ kiểm tra, xác định vùng kiểm tra, và thực hiện cài đặt cho hệ thống. 
Thông qua việc sử dụng các mức ngưỡng trên và ngưỡng dưới áp dụng cho các đặc điểm được kiểm tra, hệ thống xử lý ảnh có thể tạo ra kết quả đánh giá cho quá trình kiểm tra. Nếu cần kiểm tra nhiều phần trên một vật thể, thì tất cả các điểm được kiểm tra phải đạt để có được kết quả kiểm tra cuối cùng là đạt.
Giao diện người dùng cho phép người sử dụng cài đặt hệ thống xử lý ảnh mà không phải mất nhiều thời gian để học lập trình.