Visione artificiale e telecamere intelligenti

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Le smartcamera, o telecamere intelligenti, integrando sensori di immagine, capacità di elaborazione e interfacce di I/O, per prestazioni e costi stanno richiamando un crescente interesse da parte del mercato.

Nelle applicazioni industriali, la visione artificiale non è proprio una commodity, ma sempre più lo sta diventando. Questa affermazione, senz’altro opinabile, tiene però conto di tutta una serie di fattori che tipicamente caratterizzano nel tempo una data tipologia di sistemi. Si inizia con una prima fase di assoluta e dispendiosa complessità, in cui un dato sistema è difficile da usare e per di più con risultati ben al di sotto delle aspettative dell’utente. Praticamente si è in un momento di “sperimentazione scientifica”: il produttore cerca di fare il meglio con la tecnologia disponibile e l’utente cerca di trarre il meglio, o il possibile, dal nuovo strumento tecnologico. Poi normalmente la situazione si evolve, le prestazioni migliorano, ma non i costi, che restano spesso tali da impedire a molti di accostarsi alla nuova frontiera delle visione artificiale: è il momento delle applicazioni di alto livello, dove l’impegno progettuale è ancora elevato, soprattutto per la parte software, anche se i risultati non mancano. La diffusione della tecnologia porta infine a intercettare una serie estremamente ampia di potenziali ambiti applicativi, dove non serve certo il massimo delle prestazioni, ma un più limitato potenziale atto a risolvere situazioni ben definite come obiettivo. È il momento della semplificazione, dell’user-friendly, dei costi in calo. E qui ci si potrebbe fermare, ma in genere si determina un’ulteriore passaggio evolutivo, veicolato da una materia prima tecnologica raffinata e disponibile a miniaturizzazione ed embedding esasperato, e da un’esperienza approfondita acquisita dai costruttori, senza dimenticare la recettività del mercato, oramai maturo a vedere la visione non come optional ma come funzione praticabile e risolutiva. Investire nella creazione di nuove soluzioni di visione artificiale non è più, per i produttori, una scommessa, ma una fonte di redditività, purché si offrano sistemi adeguati a esigenze ad ampio spettro, da cui l’ulteriore passaggio evolutivo che si diceva, quello della “commodity”, con costi contenuti, facilità d’uso ma soprattutto con ottime prestazioni. Le categorie di sistemi di visione nel frattempo si sono articolate, e accanto ai sistemi di visione super specializzati che soli erano un tempo disponibili, si hanno oggi a sistemi PC-based, smartcamera, e sensori di visione.

Caratteristiche base delle smartcamera

Una smartcamera (telecamera intelligente) è un sistema di visione compatto che integra in un unico contenitore una telecamera, il sistema di digitalizzazione ed elaborazione delle immagini e interfacciamenti con l’esterno. Questa architettura si contrappone ad altre strutture in cui i diversi componenti risiedono materialmente in dispositivi diversi, come nel caso di sistemi che prevedono un PC con scheda frame grabber e telecamera esterna. All’inizio le smartcamera sono state limitate in termini di capacità di elaborazione, non offrendo la potenza dei più tradizionali sistemi di visione PC-based, soprattutto perché non erano in grado di dissipare il calore generato dalle CPU microprocessore, e di conseguenza l’opzione PC-based era senz’altro preferita per applicazioni “compute-intensive” con l’esecuzione di algoritmi di analisi complessi. Ma oramai sono disponibili microprocessori potenti a basso consumo, e le cose stanno cambiando. Un elemento senz’altro a favore delle smartcamera, come prima accennato, è l’integrazione in singolo package dei componenti richiesti da un sistema di visione artificiale; questi sistemi mettono poi a disposizione un singolo punto di ispezione (o di visione), mentre con un sistema PC-based possono essere multipli (con più telecamere collegate) e se l’applicazione è su una visione singola la scelta smartcamera è vincente non essendoci potenziali prestazioni inutilizzate. Ancora, una smartcamera prevede un ambiente software che non richiede programmazione o codifica, ma parametrizzazione in funzione delle esigenze di ispezione visiva, avendo un firmware predisposto che rende il sistema utilizzabile anche da chi non è esperto. Altri vantaggi, la compattezza dimensionale che ne consente un uso flessibile con posizionamento proprio laddove serve l’ispezione o il controllo, e il grado di protezione adeguato agli ambienti industriali. In sostanza, una smartcamera potrebbe essere percepita come un componente dedicato a “vedere”, compatto e robusto, e per questo prima si accennava al discorso della commodity. A questo punto potrebbe essere interessante analizzare un esempio pratico, per verificare come tutte queste caratteristiche sono realmente materializzate.

Un esempio emblematico

Per stressare i concetti sin qui esposti sulle smartcamera, abbiamo scelto un sistema estremamante specializzato come area di intervento, in cui la visione è finalizzata a svolgere in ambiente industriale una funzione ben precisa, e cioè l’identificazione di barcode bidimensionali. Finora non vi era ancora stata un’incursione nel mondo dell’identificazione da parte di produttori di sistemi di visione, ma la situazione sta cambiando, e il primo esempio è DataMan 500 di Cognex. Prima di tutto una premessa relativa all’evoluzione delle esigenze in termini di lettura barcode: i dispositivi a scansione laser stanno evidenziando una crescente inadeguatezza in quanto operano bene con barcode di qualità stampati su etichette intatte, ma non sempre le condizioni sono ideali, e si hanno criticità con codici danneggiati o usurati con conseguenze pratiche non banali, quali ritardi nei flussi di materiali e rilavorazioni a magazzino: alla fine, più spese di esercizio e margini ridotti. Il passaggio sarebbe allora verso i lettori a gestione di immagini con scansione d’area che, al pari delle telecamere digitali, leggono l’intera immagine in un solo “snapshot”, ma non mancano le limitazioni quali la difficoltà di tenere il passo con la velocità dei nastri trasportatori. E qui entra in gioco la proposta Cognex con DataMan 500. Il sistema, che prevede come base tecnologica un approccio Vision System on a Chip (VSoC), si configura come lettore barcode a gestione di immagini che, con software IDMax, può leggere barcode illeggibili ai dispositivi di scansione laser, inclusi quelli danneggiati, distorti, sfuocati, graffiati, con altezza insufficiente e a basso contrasto, con capacità di elaborazione di 1.000 immagini/sec; e può leggere codici con qualsiasi orientamento, codici 2D come Data Matrix e QR, nonché codici multipli in un singolo campo visivo. Una caratteristica importante è la messa a fuoco automatica con tecnologia a lenti liquide. Concepite in base al sistema di messa a fuoco dell’occhio umano, queste lenti utilizzano due liquidi immiscibili con diversi indici di rifrazione: l’acqua (conduttore) e l’olio (isolante). Applicando un campo elettrico alle lenti, varia la tensione superficiale all’interfaccia tra i due liquidi, influenzandone la relativa curvatura e, quindi, la lunghezza focale delle lenti. Variando la potenza del campo elettrico, l’interfaccia acqua-olio, inizialmente convessa, può diventare piatta o persino concava. Inoltre, la tecnologia a lenti liquide semplifica le procedure di installazione, configurazione e manutenzione permettendo di regolare la lunghezza focale senza dover toccare manualmente le lenti. Altre caratteristiche sono le modalità self-trigger, le funzioni di feedback dei codici illeggibili, il supporto a lenti standard C-Mount che opzioni di messa a fuoco variabili, l’associazione della comunicazione Ethernet all’alimentazione dei dispositivi in un singolo cavo con tecnologia Power over Ethernet (PoE), il supporto RS-232, e punti I/O multipli per l’integrazione in vecchi sistemi.

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