Ứng dụng Line Scan Camera trong kiểm tra bề mặt cuộn màng, vải và bao bì

Vật liệu dạng cuộn đặt ra yêu cầu cao về khả năng duy trì độ chính xác phát hiện lỗi trên toàn bộ chiều dài khi dây chuyền vận hành liên tục. Vết xước, lỗ kim, đốm bẩn có thể rất nhỏ, trong khi rung vật liệu, thay đổi độ căng, ánh sáng không đồng đều hoặc kết cấu nền dễ tạo tín hiệu giả. Vì vậy, Line Scan camera cần được thiết kế đồng bộ từ thu nhận, hiệu chuẩn, xử lý ảnh đến định vị lỗi. 

1. Từ độ phân giải cảm biến đến kích thước lỗi thực sự có thể phát hiện qua Line Scan Camera

Với Line Scan, độ phân giải ngang thường được xác định từ tỷ lệ giữa số pixel và khổ vật liệu quan sát:

Độ phân giải ngang thường được xác định từ tỷ lệ giữa số pixel và khổ vật liệu quan sát

Để phát hiện đáng tin cậy, khuyết tật phải tạo ra đủ số điểm ảnh và đủ tương phản so với nền. Một lỗi có kích thước xấp xỉ một pixel nhưng chỉ chênh rất ít về cường độ sáng có thể bị chìm trong nhiễu cảm biến hoặc biến thiên quang học. Vì vậy, tiêu chí thiết kế nên bắt đầu từ kích thước lỗi nhỏ nhất cần phát hiện và mức tương phản của lỗi, sau đó mới suy ngược ra độ phân giải cảm biến.

Chiều chuyển động cũng cần được tính riêng. Nếu vật liệu chạy với vận tốc v, khoảng cách vật liệu dịch chuyển giữa hai dòng ảnh là:

Muốn pixel theo chiều chuyển động tương đương với pixel theo chiều ngang, hai đại lượng này phải được cân bằng. Khi tốc độ vật liệu thay đổi mà tần số dòng cố định, ảnh có thể bị kéo giãn hoặc nén. Đây là lý do encoder thường được đưa vào hệ thống camera Line Scan kiểm tra bề mặt liên tục để đồng bộ lấy ảnh theo chuyển động thực tế.

Các cảm biến hiện nay đã đạt mức rất cao: có dòng 16K hoạt động ở 100 kHz, trong khi các dòng cao cấp hơn có thể đạt 400 kHz hoặc tới 1 MHz.

2. Hiệu chuẩn Flat-Field và bài toán phân biệt lỗi thật với sai lệch hệ thống

Khi kiểm tra toàn bộ khổ màng hoặc vải, thuật toán không thể giả định mọi pixel của cảm biến có cùng đáp ứng. Độ nhạy từng pixel khác nhau, ánh sáng giảm về vùng biên, nguồn sáng dài có thể không đồng đều và quang học có thể tạo ra phân bố cường độ không phẳng.

Nếu đưa trực tiếp ảnh này vào thuật toán phân ngưỡng, hệ thống có thể xem vùng sáng yếu ở biên là lỗi vật liệu. Một mô hình hiệu chỉnh thường có dạng:

Điểm đáng chú ý là FFC không phải thao tác “làm đẹp ảnh”. Nó quyết định ngưỡng phát hiện lỗi có ổn định hay không.

Với vật liệu có nền tương đối đồng nhất như màng nhựa hoặc giấy, sai lệch vài phần trăm về cường độ sáng đã có thể ảnh hưởng đến ngưỡng phát hiện các lỗi tương phản thấp. Với vải hoặc bao bì có hoa văn, bài toán khó hơn vì bản thân nền đã chứa cấu trúc lặp lại.

Do đó, hiệu chuẩn cần được thực hiện với cấu hình quang học và nguồn sáng thực tế. Không nên hiệu chuẩn một lần ở điều kiện phòng thí nghiệm rồi mặc định hệ thống sẽ giữ nguyên đáp ứng trong suốt vòng đời vận hành.

3. Tính toán băng thông và lựa chọn giao tiếp cho Line Scan tốc độ cao

Đây là điểm thường bị bỏ qua khi lựa chọn camera Line Scan soi lỗi tốc độ cao. Một cảm biến 16.384 pixel chạy 100.000 dòng/giây với dữ liệu đơn sắc 8 bit tạo ra:

16.384×100.000×8=13.1072 Gbps hay khoảng: 1.6384 GB/s

Đây mới là tốc độ dữ liệu ảnh thô lý thuyết, chưa tính phần mào đầu của giao thức và các yêu cầu truyền tải khác. Vì vậy, khi thiết kế hệ thống không thể chỉ nhìn vào “camera 16K, 100 kHz” mà phải tính toàn bộ đường dữ liệu từ cảm biến đến bộ xử lý.

Các camera Line Scan hiệu năng cao hiện nay sử dụng nhiều loại giao tiếp như CoaXPress, Camera Link HS và các giao diện Ethernet tốc độ cao tùy cấu hình. Chẳng hạn, dòng ELiiXA+ 16K/100 kHz của Teledyne DALSA sử dụng CoaXPress; trong khi Linea HS sử dụng Camera Link HS và có những cấu hình đạt hàng trăm kHz.

Đáng chú ý hơn, Linea HS2 16K có thể đạt 1 MHz, tương đương 16 Gigapixel/giây. Ở mức này, nút thắt đã chuyển từ camera sang toàn bộ kiến trúc truyền dữ liệu và xử lý.

Do đó, thiết kế cần xem xét đồng thời giao diện camera, số đường truyền, bộ thu nhận, bộ nhớ đệm, tốc độ PCIe, khả năng ghi dữ liệu và thuật toán xử lý. Nếu luồng dữ liệu vào lớn hơn khả năng xử lý trong thời gian thực, việc tăng bộ nhớ đệm chỉ trì hoãn hiện tượng nghẽn chứ không loại bỏ nó.

4. Từ phát hiện khuyết tật đến Defect Map của toàn bộ cuộn vật liệu

Giá trị lớn nhất của Line Scan camera trong Machine Vision không nằm ở việc tạo ra một ảnh dài hàng kilomet. Giá trị nằm ở khả năng biến từng khuyết tật thành một điểm dữ liệu có tọa độ. Mỗi lỗi có thể được xác định theo hai trục: vị trí ngang trên khổ vật liệu và vị trí dọc theo chiều dài cuộn. Khi kết hợp với encoder, hệ thống có thể xây dựng Defect Map cho toàn bộ cuộn. Cách tổ chức dữ liệu này mở ra một hướng xử lý khác so với kiểm tra ngoại quan thông thường.

Ví dụ, nếu các lỗi xuất hiện cách nhau gần như bằng nhau theo chiều dài vật liệu, khoảng cách lặp có thể được đối chiếu với chu vi của con lăn, chu kỳ của trục in hoặc một cơ cấu quay nào đó. Nếu lỗi tập trung ở một vùng cố định theo phương ngang, nguyên nhân có thể liên quan đến một vị trí cụ thể của đầu phun, con lăn, khuôn hoặc vùng chiếu sáng.

Với vải, thuật toán có thể phải loại bỏ cấu trúc dệt lặp lại trước khi đánh giá dị thường. Với màng in, có thể sử dụng đặc trưng tần số hoặc vùng tham chiếu để phân biệt hoa văn hợp lệ với sai lệch. FFT hoặc bộ lọc Gabor có thể hữu ích trong một số ứng dụng có kết cấu tuần hoàn, nhưng không nên xem đây là công thức cố định cho mọi loại vật liệu.

Loại bỏ cấu trúc nền lặp lại bằng FFT hoặc Gabor để làm nổi bật các dị thường trên vải và màng in

Ở tầng cao hơn, mô hình học máy có thể nhận vùng ảnh nghi ngờ sau bước phát hiện ban đầu để phân loại lỗi. Cách phân tầng này thường thực tế hơn việc đưa toàn bộ luồng ảnh tốc độ cao vào một mô hình AI: thuật toán cổ điển đảm nhiệm phát hiện nhanh, còn AI xử lý một lượng ROI nhỏ hơn để xác định loại khuyết tật.

Khi kết quả cuối cùng được liên kết với PLC và hệ thống điều khiển, tọa độ lỗi có thể được sử dụng để đánh dấu vật liệu, loại bỏ đoạn lỗi hoặc cung cấp dữ liệu cho công đoạn xả cuộn. Khi đó, hệ thống camera Line Scan kiểm tra cuộn màng / vải / giấy đã chuyển từ một thiết bị kiểm tra hình ảnh thành một lớp dữ liệu chất lượng của dây chuyền.

RTC Technology cung cấp Line Scan camera, giải pháp Machine Vision, máy công nghiệp, AGV/AMR và hệ thống Smart Warehouse. Liên hệ RTC nếu doanh nghiệp cần lựa chọn thiết bị, khảo sát bài toán kiểm tra bề mặt hoặc xây dựng giải pháp tự động hóa hướng tới mô hình nhà máy thông minh.

- Hotline: 0981 264 068

- Email: info@rtc.edu.vn

> CHAT ZALO để nhận tư vấn & báo giá nhanh nhất

>>> Xem thêm: Ứng dụng Line Scan Camera trong kiểm tra cuộn vật liệu