Kỹ thuật chiếu sáng là gì năm 2024

Một hệ thống xử lý ảnh (vision inspection) bao gồm 4 thành phần chính: camera thu ảnh, thiết bị chiếu sáng (vision lighting), máy tính xử lý ảnh (processor) và bộ loại sản phẩm lỗi (rejector). Trong đó, việc lựa chọn thiết bị chiếu sáng phù hợp hay vision lighting, kỹ thuật chiếu sáng và góc lắp đặt ánh sáng quyết định hơn 60% hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý ảnh trong thực tế. Tại sao phần chiếu sáng lại quan trọng như thế?

Là công ty tiên phong trong công nghệ xử lý ảnh tại Việt Nam, New Ocean xin chia sẽ loạt bài viết về tầm quan trọng của thiết bị chiếu sáng trong hệ thống xử lý ảnh. Đây là các bài viết chúng tôi sử dụng để đào tạo kỹ sư xử lý ảnh tại New Ocean. Mong rằng đây sẽ là tài liệu bổ ích cho các bạn quan tâm đến công nghệ này.

\>> Các ứng dụng của hệ thống xử lý ảnh (Vision system) <<

\>> Tại sao Vision lighting lại quan trọng trong ứng dụng xử lý ảnh (Vision inspection system) <<

\>> Các khái niệm cơ bản về Vision Lighting (Phần 1) <<

Trong bài viết có sử dụng một số từ dịch từ thuật ngữ chuyên ngành, chúng tôi sẽ để thuật ngữ gốc ở bên cạnh để bạn đọc dễ hiểu khi đọc các tài liệu khác.

Kĩ thuật chiếu sáng

Lựa chọn kĩ thuật chiếu sáng thích hợp đem lại rất nhiều lợi ích khi xử lí những vấn đề đặc biệt của từng ứng dụng cụ thể (vision inspection application). Có nhiều lựa chọn về kĩ thuật chiếu sáng, mỗi lựa chọn đều có ưu điểm và nhược điểm riêng cho từng trường hợp sử dụng cụ thể. Có năm loại kĩ thuật chiếu sáng cơ bản được sử dụng: back lighting, direct lighting, structured lighting và on- hoặc off-axis diffuse lighting.

Back lighting tạo ra bóng để làm nổi bật hình dáng của đối tượng cần kiểm tra (vision inspection object) và cho phép kiểm tra nó mà hoàn toàn bỏ qua các chi tiết bề mặt. Kĩ thuật này tạo ra sự tương phản tối đa bằng cách tạo ra một hình ảnh chỉ bao gồm hai màu đen trắng. Các ứng dụng xử lý ảnh có thể sử dụng kĩ thuật này để đo đạc kích thước, nhưng sẽ không thể dùng nó cho việc kiểm tra bề mặt của sản phẩm. Khó khăn trong việc sử dụng kĩ thuật này nằm ở chổ cơ cấu cơ khí cố định sản phẩm/ đối tượng sẽ cản trở ánh sáng back light. Xét ví dụ sau đây.

Hình ảnh bóng đèn khi sử dụng đèn vòng chiếu trực tiếp vào. Ánh sáng của đèn vòng bị phản chiếu bởi bề mặt thuỷ tinh, khiến khó khăn cho việc xử lý ảnh.

Khi sử dụng kỹ thuật chiếu sáng Back light, hình phản chiếu bị loại bỏ, chi tiết bên trong được làm rõ để thực hiện việc xử lý ảnh.

Kĩ thuật chiếu sáng thứ hai là direct lighting từ phía trước. Cơ bản là ánh sáng sẽ được chiếu ở một góc hơi lệch khỏi trung tâm. Nguồn sáng như vậy được lắp đặt dễ dàng và có thể tạo ra độ tương phản tuyệt vời, tuy nhiên nó cũng có thể tạo ra những mảng tối và có thể tạo ra những vệt chói tuỳ thuộc vào bề mặt của bộ phận được kiểm định. Tuy nhiên, đôi khi chúng ta chủ đích tạo ra những mảng tối để có thể tăng cường độ tương phản ở những hình ảnh có độ tương phản kém. Và direct lighting có thể được sử dụng để tạo hình ảnh chuyển động tĩnh (freeze motion) bằng cách chớp tắt liên tục. Ví dụ về hiệu ứng của việc di chuyển nguồn sáng có thể được xét bởi những hình ảnh sau.

Hình ảnh miếng bọt biển sử dụng kỹ thuật Direct lighting được đặt ở góc cao.

Vẫn sử dụng kỹ thuật Direct lighting, nhưng vị trí nguồn sáng được thay đổi, nhờ đó vết chói bị loại bỏ, hình ảnh bề mặt miếng bọt biển cũng trở nên chi tiết hơn.

Nếu muốn có ít những mảng tối thì có thể sử dụng nhiều nguồn sáng trực tiếp. Đèn vòng được tạo ra để phục vụ mục đích này, giúp chiếu sáng quanh đối tượng cần kiểm tra.

Một kĩ thuật chiếu sáng khác là structured lighting. Structured lighting sử dụng một mô hình ánh sáng để có thể xác định chiều sâu của đối tượng kiểm tra. Nguồn sáng chuẩn trực như tia laser hoặc tia sáng sợi quang học thường được sử dụng trong kĩ thuật này. Kĩ thuật này là cách không tốn kém để đo chiều sâu và chiều cao của những bề mặt phẳng và thường được sử dụng khi nguồn sáng hoặc bề mặt của đối tượng di chuyển. Kĩ thuật này còn có thể hiển thị các chi tiết bề mặt ở những vật liệu có độ tương phản kém. Tuy nhiên, khi sử dụng kĩ thuật này, sản phẩm kiểm tra cần được đảm bảo là không hấp thụ ánh sáng bởi vì sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt rất cần thiết cho việc xử lý ảnh. Hiệu ứng của kỹ thuật này được thể hiện ở hình dưới đây:

Nếu bề mặt sản phẩm phẳng, khi sử dụng kỹ thuật structure lighting sẽ tạo ra đường ánh sáng thẳng tắp trên bề mặt sản phẩm.

Nếu hình ảnh tia sáng bị đứt gãy, điều này chứng tỏ bề mặt sản phẩm không phẳng.

Diffuse on-axis lighting, viết tắt là DOAL, là kỹ thuật cho phép ánh sáng được chiếu trực tiếp đến đối tượng thẳng hàng với vision camera mà không để cho nguồn sáng chắn trên hướng nhìn của camera. Để làm được điều này, người ta sử dụng một tấm gương tráng bạc 50% để phản chiếu ánh sáng trực tiếp đến đối tượng kiểm tra. Camera có thể chụp xuyên qua gương để tạo ra ảnh của các bộ phận được chiếu sáng.

Các ứng dụng DOAL bao gồm phát hiện các lỗi ở trên bề mặt sáng, phẳng hoặc kiểm tra bên trong những lỗ nhỏ. Vì ánh sáng DOAL bị mất cường độ khi qua gương tráng bạc, người ta khuyên dùng thêm một nguồn sáng phụ để tăng khả năng chiếu sáng hoặc giữ độ ổn định của ánh sáng trên vật thể.

Hình dới đây cho thấy cách DOAL có thể loại bỏ những vết chói phản xạ lại, khiến việc kiểm tra bề mặt dễ dàng hơn trong vài trường hợp.

Hình ảnh cổng kết nối khi sử dụng kỹ thuật Direct lighting.

Khi chuyển qua sử dụng kỹ thuật DOAL, hình ảnh trở nên rõ ràng hơn.

Kĩ thuật chiếu sáng cuối cùng là diffuse off-axis lighting, còn được gọi là cloudy day lighting hay dome light illumination. Với kĩ thuật này, ánh sáng không được phản chiếu thẳng vào đối tượng cần được kiểm tra, mà trước hết được phản chiếu vào một bề mặt khuếch tán và được phản chiếu tới đối tượng.

Kĩ thuật diffused off-axis loại bỏ các mảng tối như khi chúng ta nhìn vào một vật nào đó qua màn sương. Kĩ thuật này còn tránh việc tạo những điểm chói có thể gây ảnh hưởng tới các ứng dụng xử lý ảnh. Khi mà đèn vòm được sử dụng, camera sẽ chụp hình thông qua một cái lỗ ở vòm phản chiếu và có thể tạo ra một điểm chết ở trung tâm bức hình. Vì vậy nên khi sử dụng gương phản chiếu thì có thể kết hợp kỹ thuật chiếu sáng DOAL để nhìn thấy được điểm chết đó.

Sử dụng kỹ thuật direct lighting với đáy lon nước ngọt, hình ảnh thu được có vết chói.

Chuyển qua kỹ thuật Diffuse off axis với cùng một lon nước ngọt, hình ảnh thu được trở nên rõ ràng, sẳn sàng cho việc xử lý ảnh.

Đối với những trường hợp có không gian hạn chế, đèn vòm phẳng có thể được sử dụng và đặt giữa camera và đối tượng cần được kiểm tra mà vẫn có thể cho kết quả tương tự nếu sử dụng vòm cong.

Hiện nay có rất nhiều lựa chọn về thiết bị chiếu sáng và những cách khác nhau để lắp đặt và định hướng hệ thống xử lí hình ảnh. Chọn được thiết bị chiếu sáng thích hợp có thể tạo ra sự khác biệt lớn về năng suất của một hệ thống xử lí. Điều đầu tiên cần làm khi lên kế hoạch lắp đặt một hệ thống kiểm định mới là hiểu được bộ phần cần kiểm định là gì – cần biết được những gì sau khi kiểm định bộ phận đó, bề mặt, màu sắc,…Việc hiểu rõ về môi trường làm việc cũng rất quan trọng. Sau đó, xem xét các ưu điểm và nhược điểm của các loại nguồn sáng khác nhau. Sau khi chọn được đúng loại thiết bị chiếu sáng phù hợp, cần quyết định xem nguồn sáng nên được lắp đặt ở đâu để đem lại hiệu quả cao nhất. Sự kết hợp giữa thiết bị chiếu sáng và vị trí của bộ phận kiểm định, vị trí camera có thể ảnh hưởng tốt hoặc xấu đến việc tạo ra những hình ảnh tốt và ổn định, đáp ứng yêu cầu đã được đề ra của ứng dụng xử lí hình ảnh. Đón đọc bài viết tiếp theo của chúng tôi “Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn Vision lighting” để nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này nhé.