تبیان، دستیار زندگی

این مقاله در ششمین همایش فنی ومهندسی ارائه شده است.
تصویر برداری صنعتی و علمی " دید دستگاه – چشم های خودکار "
محمد رضا احمدزاده 1 ، پوریا نوروز کرمانشاهی 2
1. دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد ، عضو هیئت علمی   2. دانشگاه آزاد اسلامی یزد ، انجمن علمی نساجی
خلاصه :
پردازش الکترونیکی تصاویر برای اهداف صنعتی و علمی در محدوده ای که در دهه اخیر دستخوش رشد سریعی از لحاظ بین المللی قرار گرفته است. پردازش تصاویر حاصله از ماهواره ها، سیستم های تصویر برداری پزشکی، میکروسکوپی، سیستم های بازرسی صنعتی و دوربین های نصب شده روی رباط ها همگی از جمله محدود های کاربردی هستند که به دست آمده اند. این مقاله، مروری دارد بر میدان و مباحث پردازش خودکار و تفسیر تصاویر برای کاربردهای صنعتی – فیلدی به نام دید دستگاه. "Machine Vision"
مقدمه :
پردازش تصاویر با کامپیوتر و برای اهداف علمی ، مثل تعدادی از تکنولوژی های دیگر، ریشه های اولیه اش در جستجوی فضا است. در اواسط دهه1960  دانشمندان NASA وقتی تصاویر ماه را از سفینه فضایی دریافت کردند، به شیوه ای نیاز داشتند تا انواع مختلفی از انحراف تصویر ایجاد شده با دوربین های تلویزیونی روی مدار را تصحیح سازند. با رقمی ساختن تصاویر، پردازش آنها با کامپیوتر و سپس تکثیر آنها روی مانیتور های ویدئویی، آنها توانستند نتایجی را بدست آورند که هرگز قبل از این نداشتند. بعداً شاخه هایی از این تکنیک ها برای افزایش تصاویر اشعهX جهت آشکار سازی راحت تومورها در ارگان های داخلی بدن، آشکار سازی تصاویر ماهواره ای و قابل بحث و برای کمک به آشکار سازی ترک های ریز در اشعه های X تیغه های توربین جت بکار برده شدند.
 در دهه 1980، با هزینه محاسبه کاهش سخت افزار رشد خودکار سازی ، به کاربرد های ویژه پردازش دیجیتالی تصویر در زمینه های صنعتی توجه چشم گیری شده در اینجا، نیازهای اصلی عبارت بودند از " چشم هایی " برای راهنمایی رباط ها جهت برداشتن و دستکاری در اشیاء کمپلکس (پیچیده) و یا برای  جلوگیری از موانع و همچنین برای خودکار سازی سیستم های بازرسی که می تواند نقایص را در محصولات تولید شده در خطوط تولید بسیار بالا آشکار سازد. این محدوده کاری، به صورت دید کامپیوتر و یا دستگاه شناخته شد.
امروزه ،فیلدهای پردازش تصویر دیجیتالی و دید دستگاه، محدوده های اصلی جستجو بطور بین المللی می باشند همراه با هزاران مقاله علمی که هر ساله نوشته می شود. محدوده های کاربرد متنوع هستند و عبارتند از: شمارش اتوماتیک و تجزیه و تحلیل انواع سلول ها در میکروسکوپ، تشخیص شماره پلاک های ماشین، راهنمایی وسایل نقلیه بدون راننده در طول جاده ها و در جاده های خاکی و بازرسی سرعت بالای فولاد ضد زنگ.
در نیوزیلند، گروه های فعالی در دید دستگاه صنعتی، پردازش تصاویر ماهواره ای از زمین، پردازش و تجزیه و تحلیل تصویر پزشکی ، ذخیره سازی تصویر محو شده و یا تصاویر منحرف شده دیگر و تجزیه و تحلیل تصویر خودکار رنج وسیعی از داده های علمی متغیر از ماده گیاهی تا فیبرهای نوری، فعالیت می کنند. بعضی از کارها با تحقیق و توسعه تکنیک ها و فرآیند های جدید توام می باشند. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل تصویر خودکار، بطور وسیعی به صورت یک ابزار آزمایشگاهی معمولی بکار رفتند.
دید دستگاه
دید دستگاه، تکنولوژی است که با استخراج خودکار اطلاعات با معنی از تصاویر و با استفاده از کامپیوتر ها سر و کار دارد. این دستگاه به صورت یک تکنولوژی خودکار سازی سراسری مشخص شده است و کاربردهای بالقوه متعدد آن ، اعتبار پیشرفت ها را در کیفیت محصول، کارآیی صنعتی و رقابت ارائه می دهند.
بطور بین المللی، جستجوی "دید" (که معمولاً "دید کامپیوتری" نامیده می شود یا "دید دستگاه" و یا فقط "دید") تنوعی از فعالیت ها را در بر می گیرد. این فعالیت ها، متغیر از بررسی های سیستم دید انسانی و شیوه فعالیت آن برای تجزیه و تحلیل خود کاری از تصاویر صنعتی جهت امکان پذیر نمودن راهنمای دستگاه و یا بازرسی خودکار انجام شده. در این مقاله، من به دید دستگاه صنعتی و کار شرکت پژوهشی صنعتی در این محدوده پرداخته شده است.
در چه جاهایی سیستم دید دستگاه یافت می شوند
کاربردهای بسیاری در صنعت وجود دارند . از لحاظ بین المللی، بیشتر تلاش به قسمت جستجوی دید دستگاه برای کنترل رباط و راهنمای دستگاه خودکار اختصاص یافته است. با این حال، بیشترین فرصت ها برای نیوزیلند در پیشرفتهای کیفیت محصول از طریق بازرسی محصولات پردازش شده و تولید شده گنجانده شدند. تقریباً همه کاری که توسط بازرسان در رابطه با بازرسی محصول صورت می گیرد تا حدی و یا بطور کامل از طریق دید دستگاه صورت می گیرد و این سیستم ها می توانند برای اندازه گیری، شمردن و آشکار سازی درزها در محصولاتی مثل میوه، بطری ها و یا الوار بکار روند.
چرا از دید دستگاه استفاده می شود؟
سیستم های دید دستگاه ، برتری های بسیاری  دارند. آنها می توانند وظایف متعددی را بطور موثرتر از انسان انجام دهند، بویژه وظایفی که با بازرسی بسیار تکراری محصولات توام می باشند. این سیستم ها عبارتند از:
• ثابت: بر عکس انسان، سیستم های دید دستگاه ، هر دفعه از یک اصل استفاده می کنند. آنها خسته و یا کند نمی شوند.
• دقت : با توجه به اینکه دوربین کجا قرار دارد- در بالای یک میکروسکوپ و یا روی یک ماهواره- سیستم دید دستگاه می تواند از هر چیزی از میکرو متر تا کیلو متر را اندازه گیری کند.
• بازرسی کامل: سیستم های دید دستگاه می تواند هر محصول تکی را بطور کامل بازرسی کنند. اغلب این کار توسط انسان بسیار وقت گیر و پر هزینه است.
• سرعت: سیستم هایی وجود دارند که سریعتر از دوربین های ویدئویی کار می کنند و تصاویر را سریعتر تولید می کنند. یعنی بیش از 25 تصویر را در هر ثانیه تولید  می کنند.
• ایمنی : این سیستم ها می توانند.در محیط های پر خطر در کارخانه های مواد شیمیایی بکار روند. مثلاً در مکان هایی که دماهای بی نهایت بالایی مورد نیاز است.

 
شکل 1 – یک سیستم دید دستگاه عمده

چگونه دید دستگاه کار می کند
یک نمونه خلاصه شده از سیستم دید دستگاه در شکل 1 نشان داده شده است. الزاماً تصویر حاصله از دوربین رقمی یا دیجیتالی شده و در کامپیوتر ذخیره می شود در اینجا، بطور اتوماتیک این تصاویر تجزیه و تحلیل می شوند تا اطلاعات مورد نیاز استخراج شوند، دوربین می تواند یا دوربین ویدئویی استاندارد باشد  و یا در موارد محصولات روی یک ناول، یک سنسور با آرایه خطی باشد که تصویر پر تجزیه و تحلیلی را بر مبنای خط به خط تولید می کند. معمولاً ذخیره سازی یک تصویر ایده آل از فقره بازرسی شده ضروری نیست و همچنین ویژگی های خاص فقره صحیح ترکیب می شوند تا مدل ایده آلی از یک محصول بازرسی شده، استخراج شود و با مدل مقایسه می شود. در چنین شیوه ای فاکتور هایی مثل تنظیم موقعیت، تغییرات سطوح روشنایی و تولرانس هایی در خصوصیات توصیه می شوند. اغلب یک کامپیوتر قراردادی، برای کاربردهای واقعی، بقدر کافی سریع عمل نمی کنند. در چنین مواردی سخت افزار خاصی باید برای بخش های مسئله بکار روند. این می تواند شکل سخت افزار پردازنده طرح شده متداول باشد و یا طرح های دید پر سرعت تجاری داشته باشد.
کاربردهای دیگری نیز برای محلولهای نوری و یا بر پایه لیزری مناسب شدند. در این موارد، لیزر ها برای اسکن کردن محصولات و تغییرات در پرتو انعکاس یافته و یا منتقل شده بکار رفته برای شناسایی نقایص استفاده شدند.

کاربرد ها
معمولاً هر کاربرد به روند خاصی نیاز دارد، چون هیچ بازرسی دید جهانی وجود ندارد و سیستم اندازه گیری در حال حاضر موجود نیست. کاربردهای بالقوه وسیع هستند. سیستم های دید دستگاه مورد استفاده در کاربرد های وسیع قبل عبارتند از :
• کنترل ابعادی
• جور کردن
• آشکار سازی نقص و آلودگی
• بررسی لیبل
• کنترل رنگ
• کنترل سطح پر شده

محدوده های پژوهشی
محدوده های پژوهشی دید عبارتند از: گیرنده صحنه سه بعدی و تشخیص شیء . پردازش تصاویر دو بعدی خالص، محدودیت های متعددی دارد. کسب و پردازش داده های سه بعدی، متدهای پیشرفته ای از شناسایی شیء، قرار گیری و بازرسی را سیر می سازند. در اینجا اطلاعات حجمی و شکل سطح موقعیت سه بعدی، مهم است، مثلاً در راهنمایی یک دستگاه برشی رباطی در طول سطح توده گوشت.
در آزمایشگاه تجهیزات دوربین فضایی برای کسب تصویر بکار رفته و با نرم ابزار همراه، اصلاح شرح و توصیف های صحنهD3 محیط در دید امکان پذیر است. اکتساب تصویر فضایی به مقایسه و تطبیق ویژگی های مساوی بین تصاویر بستگی داشته است. چنین ویژگی هایی معمولاً با لبه ها توام می باشند .و در بعضی از موارد، با بافت هایی همراه می باشند. در بعضی از کاربرد ها، وقتی به سطوح صاف توجه می شود، ویژگی های مناسب موجود نمی باشند. در این شرایط معمولاً ویژگی هایی را با طرح یک الگوی نور روی صحنه مطرح می کنند و از تغییر شکل الگوی نور برای استخراج شکل سه بعدی استفاده می کنند. این تکنیک، روشنایی ساختار بندی شده نام دارد. در یک متد مربوطه، لکه های لیزری را در عرض صحنه ای اسکن می کنند و از خط سیر نقطه برای فراهم کردن اطلاعات درباره شکل سه بعدی شیء اسکن شده استفاده کنیم.
نمونه ای از جدیدترین فعالیت ها در این محدوده ، تحقیق راجع به مدل های تولید شده کامپیوتری از سطوح قابل تغییر برای تناسب شکل ها با داده های تصویر سه بعدی ناقص و یا "ناتمام" است این موضوع در شکل 1 بررسی شده است و مدل ورقه ای را نشان می دهد که داده های به دست آمده را با استفاده از تکنیک های روشنایی ساختار بندی شده و گرفته شده از چهره انسان متناسب می سازد. شرح و توضیح شیء سه بعدی قابل تغییر به سیستم های دید اماکن می دهد تا با اشیاء با شکل نا منظم سر و کار داشته باشیم.
 
شکل 2- یک شابلون صفحه ای قابل تغییر بکار رفته برای داده های سطح سه بعدی
ویدئو متری
این حوزه از کار، به استفاده از تکنیک های تصویری برای اندازه گیری دقیق اشیاء دو بعدی و سه بعدی می پردازد. بطور کلی، هدف پیش بینی موقعیت و شکل مرز یک شیء حقیقی با تجزیه و تحلیل ریاضی ماتریس تعداد تصویر در حافظه کامپیوتری است. این به معنای علم و دانش کافی انحراف های لنز، دوربین و مشخصه های دیجیتال کننده(رقم ساز) و فرایند ریاضی مشتق گیری شکل و موقعیت حد و مرز است.

دید دینامیک
برای یک سیستم دید نمایان شده در کارآیی وظایف واقعی غیر جزیی، توانایی برای حرکت و تغییر دادن اشیاء و نقطه نظرات، حیاتی می باشند. هدف گسترده کارمان در این حوزه، توسعه نوع "تصویر فوری" دو بعدی متداول، پردازش دید با استفاده از خصوصیات فضایی و موقت صحنه های واقعی است.(یعنی سلسله مراتب پردازش تصاویر از یک دوربین)
بررسی یا آزمایش لیزری
در بعضی از موقعیت ها، به دست آوردن داده های تصویر با استفاده از یک لکه لیزری اسکنینگ به جای دوربین مناسب تر بوده است. بعنوان مثال، تصویر برداری لیزری فلورسنس، مورد تحقیق قرار گرفته و نشان داده کاربرد بعدی در انواع متفاوت کاربرد های بازرسی بویژه آنهایی که با محصولات بیولوژیکی درگیرند معتبر است.
پردازش نوری مربوطه استفاده از تکنیک های نوری، بعنوان یک راه حل بسیار پر سرعت برای دیجیتالی کردن پردازش جهت مسائلی چون تشخیص شیء یا نقص مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته. تکنیک های همبستگی نوری نیز می تواند برای تشخیص هواپیما در کاربردهای نظامی بکار برده شوند.

پردازش پر سرعت
این یک نیازمندی حیاتی برای اکثر وظایف بازرسی واقعی است. تلاش بسیار زیادی صرف این منطقه یا حوزه شده است. این یک طرح محاسبه پر سرعت است که بوسیاه آزمایشگاه پژوهشی محاسبه ژاپن بعمل آمده است.

بازرسی اشعه X
ترکیب گیرنده اشعه X و تجزیه و تحلیل دید دستگاه خودکار تحت تحقیق است تا آشکار سازی آلودگی روی خط خود کار تولید شود. این ترکیب اعتباری را بصورت داشتن کارآیی برتر برای تکنیک های آشکار سازی فلز(فلز یابی) الکترو مغناطیس متداول نشان می دهد. در ابتدا، راه حل هایی برای آشکارسازی سیم و سایر آلودگی ها در محصولات کنسرو شده توسعه یافتند(شکل3(
شکل4 تصویر یک قوطی کنسرو محصول غذایی را با آلودگی نشان می دهد که بطور خودکار این آلودگی نمایان می گردد. این قابلیت بازرسی اشعهX ، به شیوه های متعددی امتداد یافته و انتظار می رود کار بطور چشم گیری رشد یابد.
 
شکل3 بازرسی اشعه X از محصول های غذایی کنسرو شده از لحاظ آلودگی ها

 
شکل 4 تصویر اشعه X محصول غذایی دارای آلودگی

آزمایش و یا بررسی "کنده"
تحقیقات در زمینه کاربردهای بازرسی خودکار درون صنعت خاک اره ادامه می یابند و برنامه مشترکی از کار با سازمان  پژوهشی جنگل نیوزیلند در این منطقه انجام شده که هدف گسترده آن، توسعه بازدهی الوار از کنده ها با استفاده از تکنیک های اسکنینگ دید پیشرفته برای بهینه سازی الگو ها برش برای هر کنده است

 
بازرسی نساجی و فرش
یک برنامه مشترک کار با سازمان پژوهشی پشم نیوزیلند، آغاز شده. هدف اولیه، بکار بردن تکنیک های خودکار پر سرعت برای کمک به تولید فرش هاست.

بازرسی محصول
نگرش اولیه و اصلی به مسائل همراه با بازرسی خودکار محصولاتی مانند پیاز و کدو و همچنین به مزایای بالقوه آنها در نظر گرفته شده است.

پروژه های تجاری
سیستم های بازرسی خودکار، برای بازرسی دید خودکار و دامنه وسیعی از کاربرد های صنعتی است که مورد تحقیق قرار گرفته اند. متداولاً، کار روی سیستم بازرسی خودکار مناسب برای آشکار سازی نقص روی سطح پانل های فیبر پشمی در حال کامل شدن است. این امر توام با سنسورهای دوربین اسکن خط و با طرح محاسبه پردازش پر سرعت خط لوله ست.
یک سیستم گیرنده بر اساس لیزر بصورت بخشی از سیستم خودکار برای برداشت خطوط چربی از فیلد های ماهی با استفاده از دستگاه برش جت آب نصب شده است. چندین پروژه اصلی در دست اقدام هستند و در سیستم های بازرسی کارخانه بکار می روند.
• بازرسی ماده پلاستیکی برای پیچیدن محصولات غذایی
• کاربرد خودکار محلول دباغی کننده در بعمل آوری پوست گوسفند
• بازرسی کیفیت خودکار پوست گوسفند
کار اولیه ای برای فراهم کردن گیرندگی سه بعدی بعمل آمده است تا به خودکار سازی بعمل آوری لاشه های گوسفند در کارهای گوشت کمک کند.

Sailspy
یک سیستم های کامپیوتری برای اندازه گیری شکل بادبان تهیه شد. این سیستم به نام Sailspy ، از دوربین های ویدئویی مینیاتوری در بالای دکل استفاده می کند و به شناسایی و دنبال کردن علائم ویژه بادبان متکی است  که در شکل5 نشان داده شده است، از دید کامپیوتری (Vision) استفاده می شود. در دور نمای دوربین ها، علائم بصورت شکل نشان داده می شوند. هر ردیف از علائم، بخش ایروفویل بادبان را تشکیل می دهند. شکل این ایروفویل می تواند برای تعیین اینکه آیا بادبان شکل بهینه دارد یا خیر، بکار رود.
 
شکل 5 – یک Yacht طبقه کاپ آمریکایی با علائم Sailspy

 
شکل 6 – دید بادبان از دوربین Sailspy
 نتیجه گیری
 این مقاله، راجع به فیلد تصویر برداری الکترونیک برای اهداف علمی و صنعتی بحث کرده است. بویژه، فیلد دید دستگاه شرح داده شده. تعدادی از کاربردهای بالقوه در NZ برای این تکنولوژی وجود دارند.

Reference:

1. Scientific and Industrial Imaging “Machine Vision –The Eyes of Automation”, Chris C. Bowman