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Dispositivi di acquisizione

In un sistema di visione artificiale l’acquisizione dell’immagine è una delle componenti principali del processo di controllo e la tipologia, la qualità e più in generale le caratteristiche dell’immagine dipendono dai sensori deputati all’acquisizione. I sensori, tramite un materiale foto-sensibile, trasformano l’energia della radiazione luminosa in un segnale elettrico.
Esistono principalmente tre tipologie di sensori di acquisizione:

  • singolo sensore, ad esempio un fotodiodo, che può essere combinato con movimento meccanico per ottenere immagini 2D;
  • sensore lineare, cioè una riga di più sensori singoli che può essere messa in moto per ottenere immagini 2D; la riga diventa un anello nel caso di TAC, MRI e PET;
  • sensore a matrice, cioè una matrice di sensori CCD, ad esempio nelle fotocamere e telecamere digitali.

L’acquisizione pu: essere monodimensionale, bidimensionale, tridimensionale.
L’acquisizione monodimensionale, più comunemente detta lineare, si basa su un sensore con un’unica fila di elementi sensibili (pixel). L’immagine per ogni singolo fotogramma è quindi costituita da una riga di punti. È possibile acquisire un’immagine bidimensionale acquisendo più righe di un materiale con un movimento relativo fra oggetto e sensore, componendo poi le righe acquisite. Un esempio tipico è il comune scanner di documenti.

monodimensionale

Acquisizione monodimensionale

Tipicamente le telecamere con sensore lineare hanno velocità di acquisizione (60 mila righe al secondo) e risoluzioni molto alte (fino a 8000 pixel per riga). Sono utilizzate quasi esclusivamente in abbinamento a sistemi basati su PC che garantiscono la potenza di calcolo per elaborare la loro mole di dati. La necessità di movimento relativo fra oggetto e sensore rende l’acquisizione lineare vantaggiosa quando l’oggetto è già in movimento sulla linea di produzione. Inoltre, l’acquisizione delle singole righe permette l’elaborazione di oggetti continui (es. laminati, materiali estrusi, vetro piano).
L’acquisizione bidimensionale, o matriciale, è certamente la più diffusa. Il sensore è costituito da una matrice di pixel che vengono impressionati nello stesso momento, ricavando un immagine bidimensionale, come la comune macchina fotografica digitale. Esistono svariate tipologie di sensori matriciali, con risoluzioni che spaziano da pochi centinaia di pixel quadrati per i sensori di visione, alle telecamere Megapixel da 6 milioni di punti.

bidimensionale

Acquisizione bidimensionale

Il vantaggio principale di questa tipologia d’acquisizione risiede nella facilità di elaborazione dell’immagine, che risulta già “pronta”. Inoltre si presta bene ad acquisire oggetti che transitano nel campo di acquisizione e devono essere elaborati singolarmente. All’interno della categoria esistono telecamere specializzate nell’acquisizione ad alta velocità (fino a migliaia di frame al secondo), ad alta risoluzione (per misurazioni di precisione o ispezione di difetti molto piccoli) o con sensibilità a diverse frequenze di luce (ultravioletto o infrarosso).
L’ultima categoria di acquisizione è l’immagine che contiene informazioni sulla terza dimensione. Questa tipologia si sta evolvendo rapidamente negli ultimi anni e permette di ricavare un’immagine dell’oggetto che contenga anche le informazioni relative all’altezza per ogni singolo punto. In campo dei sistemi di visione industriale le immagini 3D più diffuse sono di tipo “range”. Si tratta di immagini bidimensionali nelle quali il valore del pixel non rappresenta il colore o la luminosità del punto, ma la sua altezza rispetto ad un riferimento. In questo modo l’immagine risulta elaborabile dagli strumenti software creati per le immagini 2D, ma contiene un diverso contenuto informativo.

tridimensionale

Tecnologia per acquisizione tridimensionale

Le tecnologie per ottenere un’immagine 3D sono molteplici. Le più diffuse sono l’acquisizione stereoscopica e la triangolazione con luce strutturata. La prima tecnica prevede l’acquisizione della stessa area da due telecamere da diverse angolazioni. Il confronto delle immagini e la localizzazione di punti comuni, unite alla conoscenza degli angoli di ripresa, permette di ricavare informazioni di distanza per ogni punto dell’immagine. La triangolazione con luce strutturata si basa invece su la proiezione di una o più linee (solitamente laser) e l’acquisizione dell’immagine del profilo creato sull’oggetto mediante sensore bidimensionale, posizionato con un angolo noto rispetto al piano della proiezione laser. L’analisi dell’immagine del profilo genera una sezione in altezza dell’oggetto. L’acquisizione di diverse linee con un movimento relativo fra oggetto e telecamera permette di creare diverse sezioni in modo da comporre un’immagine tridimensionale, analogamente a quanto avviene per l’acquisizione lineare. Questa tecnica garantisce una buona precisione di misura e risulta relativamente robusta ai disturbi ambientali, ma richiede un movimento relativo fra oggetto e sistema di triangolazione. L’acquisizione stereoscopica permette di creare un’immagine 3D senza parti in movimento, ma la precisione di misura e la robustezza ai disturbi sono inferiori.
(Anie-Linee Guida)

 

Nota. Il corretto funzionamento di un sistema di visione industriale dipende dall’accuratezza con cui si acquisisce l’immagine. Quando si parla di accuratezza in questo settore si intende:
– misura: corrispondenza tra il valore misurato digitalmente e la grandezza reale;
– forma: acquisizione della reale forma del pezzo, evitando la generazione di caratteristiche non    veritiere nell’immagine;
– mancato rilevamento: perdita di informazioni e caratteristiche della scena acquisita.
L’acquisizione dell’immagine gioca un ruolo fondamentale nelle macchine di visione industriale, produce infatti l’input per il software di elaborazione. Bisogna però tenere in considerazione che le suddette macchine sono formate da componenti meccanici, ottici ed elettronici ognuno dei quali è soggetto a errori più o meno rilevanti. I problemi di acquisizione che si riscontrano e che influiscono sull’accuratezza del sistema sono: dimensione e variabilità del pixel, determinazione certa del bordo, riflettività e artefatti dovuti a polvere ecc. L’insieme degli errori generati nella fase di acquisizione si ripercuote sull’immagine digitale da analizzare.

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