Главная / Блог / Техническое зрение

Техническое зрение на практике: от простой камеры до умного производства

Техническое зрение обрабатывает тысячи изображений в секунду и может работать круглосуточно, обеспечивая высочайшую точность измерений без влияния человеческого фактора. С момента первой демонстрации системы технического зрения на выставке в 1983 году эта технология стала незаменимой частью современного производства.

Что такое техническое зрение? По сути, это комплекс камер и программного обеспечения, который позволяет автоматизировать визуальный контроль продукции. Благодаря способности выполнять узкоспециализированные задачи, машинное зрение на производстве используется для инспекции различных товаров – от полупроводниковых чипов до продуктов питания и лекарств. Такие системы проверяют целостность упаковки, герметичность, правильность маркировки, а также осуществляют мониторинг состояние оборудования, предотвращая поломки и повышая производительность.

Наша компания CVC разработала и внедрила системы машинного зрения для контроля производственных процессов на десятках предприятий. В этой статье мы расскажем о принципах работы технического зрения, его компонентах и реальных примерах внедрения. Мы также объясним, какие преимущества дает эта технология и с какими вызовами вы можете столкнуться при её внедрении.

Что такое техническое зрение и чем оно отличается от других видов

В мире промышленной автоматизации существует несколько похожих терминов, которые часто путают. Разберемся в них подробнее и выясним, что именно представляет собой техническое зрение и как оно помогает современному производству.

Разграничение: машинное, компьютерное и техническое зрение

При обсуждении систем искусственного зрения используются четыре основных термина, каждый со своим значением.

Компьютерное зрение — самое широкое понятие, определяемое как теория и набор технологий, позволяющих машинам визуально воспринимать окружающий мир, обнаруживать, отслеживать и классифицировать объекты. По сути, это наука о том, как компьютеры "видят" мир.

Машинное зрение — это уже применение компьютерного зрения в промышленности и на производстве. Это инженерное направление, связанное с цифровыми устройствами ввода-вывода и компьютерными сетями для контроля производственного оборудования.

Техническое зрение, согласно ГОСТ Р 70652-2023, — это "оптико-электронная система, предназначенная для автоматического анализа и регистрации изображения контролируемого объекта в оптическом диапазоне, с целью обнаружения и классификации имеющихся дефектов".

Промышленное зрение часто употребляется как синоним технического, но с акцентом на использование данной технологии именно в промышленности.

Таким образом, мы можем выстроить следующую иерархию:

  1. Компьютерное зрение — общая теория и технологии
  2. Машинное зрение — применение в промышленности
  3. Техническое зрение — акцент на поиск и классификацию дефектов
  4. Промышленное зрение — синоним технического с фокусом на производство
Машинное, компьютерное и техническое зрение.

Техническое зрение в производстве: ключевые задачи

В отличие от человеческого зрения, которое может сконцентрироваться на 3-7 объектах одновременно, системы технического зрения фиксируют все объекты и действия, которые попадают в поле зрения камеры. При этом современные системы успешно распознают до 98% объектов, в то время как пять лет назад этот показатель составлял лишь 65-70%.

Основные задачи технического зрения на производстве включают:

  • Контроль качества продукции — обнаружение дефектов, царапин, трещин или неправильной сборки
  • Сортировка и упаковка — классификация продукции по размеру, форме или цвету
  • Считывание и фиксация — распознавание серийных номеров, штрих-кодов или QR-кодов
  • Безопасность — контроль использования средств индивидуальной защиты и соблюдения техники безопасности
  • Учет и отслеживание — подсчет объектов и отслеживание движения продукции
В отличие от универсальных способностей человека, система технического зрения обычно создается для выполнения узкоспециализированных задач. Однако она работает без утомляемости, болезней или невнимательности, что делает её незаменимой для рутинных операций контроля.

Примеры применения в реальных условиях

Мы в компании CVC внедрили системы машинного зрения на десятках предприятий в том числе для таких задач,как контроль наполненности упаковки на мясоперерабатывающих предприятиях, контроль определение брака (спекшиеся батоны на выходе из печей хлебокомбинатов), разрыв упаковки и рассыпания изделий. Наш опыт показывает, что правильно настроенные системы технического зрения существенно повышают эффективность производства и снижают количество брака.

Ключевым успехом получения экономического результата от внедрения систем является возможность агрегации и предоставления информации в релевантном виде различным стэйкхолдерам внутри компании.

Например:
  • оперативная информация с визуализацией проблемы начальнику участка,
  • количество брака и участков его образования для департамента бережливого производства и/или складского учета,
  • информация о причинах образования брака для ИТР- служб,
  • общая информация для управленческого состава по эффективности управленческих воздействий и динамики инцидентов.
Подробнее посмотреть о использовании технического зрения в различных отраслях можно на странице "Отраслевые решения".

Как работает система технического зрения на производстве

Система технического зрения работает как хорошо отлаженный механизм, проходя четыре ключевых этапа обработки информации. Каждый этап имеет свои особенности и играет важную роль в общем процессе анализа изображений на производстве.

Захват изображения: камеры и датчики

Первый этап работы технического зрения — получение визуальной информации с помощью камер и датчиков. Для этого используются телекамеры с матрицами светочувствительных элементов на основе приборов с зарядовой связью или матрицы из фотодиодов. Такие устройства позволяют получить изображение внешней среды, разделенное на три цветовые составляющие — красную, зеленую и синюю.

В зависимости от задачи применяются различные типы камер:

  • Матричные камеры фиксируют целостное двумерное изображение и идеально подходят для анализа неподвижных объектов или объектов, движущихся с умеренной скоростью
  • Линейные камеры снимают изображение построчно, что позволяет работать с непрерывным потоком продукции на высокоскоростных конвейерах
  • 3D-сканеры создают трехмерные модели объектов для точного измерения размеров и обнаружения пространственных дефектов
  • Тепловизионные камеры фиксируют тепловые данные, что особенно важно при контроле герметичности
Для синхронизации работы камеры с движением объектов используются различные датчики. Например, оптические датчики реагируют на отраженный свет от объекта и определяют момент, когда изделие попадает в зону действия камеры.

Предобработка: фильтрация, бинаризация, коррекция

После получения изображения система выполняет его предварительную обработку для сокращения ресурсных требований к последующим этапам. Прежде всего происходит преобразование исходного изображения в полутоновое, а затем — в бинарное. Для этой цели разработано множество методов, авторами которых являются Otsu, Gonzalez, Woods, Eikvil, Bradley и другие специалисты.

Этап предобработки также включает:

  • Удаление шума для устранения искажений, вносимых датчиками
  • Повышение контрастности, чтобы необходимая информация была хорошо различима
  • Масштабирование для лучшего выделения структур на изображении
Все эти операции подготавливают изображение к последующему анализу, делая его более четким и информативным.

Анализ: сегментация, распознавание, сравнение с эталоном

На этапе анализа система разделяет изображение на ключевые зоны и идентифицирует важные элементы. Например, при контроле упаковки воды изображение делится на зоны основного тела бутылки, Data Matrix кода и горлышка с крышкой. После этого алгоритмы выделяют нужные участки, устраняя фоновые элементы и избыточные детали.
Затем происходит распознавание объектов: система идентифицирует ключевые элементы, считывает и анализирует коды маркировки, проверяет положение деталей. Все элементы сопоставляются с эталонными параметрами — код проверяется на читаемость, геометрия изделия сравнивается с эталонной моделью, целостность проверяется по заранее заданным стандартам.

Решения: сортировка, сигнализация, остановка линии

Заключительным этапом работы системы технического зрения является принятие решений на основе полученных данных:

  1. Сигнал о соответствии параметрам — если изделие прошло все проверки, система отправляет сигнал об отсутствии отклонений, и продукция продолжает движение по производственной линии
  2. Сортировка брака — при обнаружении отклонений система направляет дефектную продукцию в зону брака, где она утилизируется или дорабатывается
  3. Остановка линии — если выявлен системный сбой (например, повторяющаяся ошибка принтера), система приостанавливает работу линии, чтобы исключить массовое производство брака
Таким образом, от момента захвата изображения до принятия решения проходит всего доли секунды, но этого достаточно для того, чтобы система технического зрения обеспечила высокое качество продукции и эффективность производственного процесса.
Схема работы системы технического зрения на производстве

Компоненты системы: от камеры до программного обеспечения

Эффективность системы технического зрения зависит от правильного подбора компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию. При создании комплексных решений специалисты компании CVC уделяют особое внимание выбору оборудования и написанию программного обеспечения, обеспечивающих наилучшие результаты для конкретных производственных задач.

Камеры технического зрения: матричные, линейные, 3D

Камеры являются "глазами" системы технического зрения. В зависимости от типа сенсора они делятся на несколько категорий:

Матричные камеры оснащены прямоугольным сенсором, представляющим собой массив пикселей. Они получают изображение за один прием, что делает их идеальными для анализа неподвижных или медленно движущихся объектов. Эти камеры особенно эффективны при контроле качества отдельных изделий.

Линейные камеры содержат всего одну или несколько строк пикселей. Изображение формируется последовательно, строка за строкой, что позволяет сканировать быстродвижущиеся объекты на конвейере. Этот тип камер незаменим при контроле непрерывных материалов, таких как рулонный текстиль или металлический прокат.

3D-камеры формируют трехмерное облако точек, позволяя анализировать форму и объем изделий. Они применяются, когда необходимо оценить геометрические параметры продукции или выявить дефекты, незаметные при двумерном анализе.

Существуют также "смарт-камеры", объединяющие в одном корпусе все основные компоненты: камеру, оптику, подсветку и вычислитель. Эти устройства удобны для простых задач, где не требуется сложная обработка изображений.

Типы датчиков: оптические, магнитные, лазерные

Датчики в системах технического зрения играют ключевую роль в синхронизации работы камеры с движением объектов:

Оптические датчики определяют момент прохождения детали перед камерой, реагируя на отраженный свет. Они запускают камеру для съемки в нужный момент, что обеспечивает точное позиционирование объекта в кадре.

Магнитные датчики используются преимущественно для металлических деталей. Они генерируют сигнал при изменении магнитного поля, вызванного появлением металлического объекта.

Лазерные датчики создают точную трехмерную модель поверхности. Они проецируют лазерную линию на объект, а камера фиксирует её искривление, по которому вычисляется профиль поверхности.

Освещение: диффузное, направленное, импульсное

Правильно подобранное освещение имеет критическое значение для качества работы системы технического зрения:

Диффузное освещение создает равномерный свет без резких теней. Оно используется для общего осмотра поверхностей и особенно эффективно при работе с блестящими или отражающими материалами. Купольное освещение эффективно устраняет блики и тени за счет диффузного отражения от куполообразной поверхности.

Направленное освещение подсвечивает объект под определенным углом, что помогает выявить дефекты поверхности, такие как царапины, вмятины или трещины. Коаксиальное освещение отлично подходит для проверки царапин на гладких поверхностях.

Импульсное освещение используется для съемки быстродвижущихся объектов. Короткие яркие вспышки позволяют получить четкое изображение независимо от скорости движения объекта. Такие системы могут работать в микросекундном диапазоне с мощностью от десятков ватт до киловатт.

Программное обеспечение технического зрения: OCR, шаблоны, нейросети

Программное обеспечение — это "мозг" системы технического зрения, преобразующий полученные изображения в полезную информацию:

OCR (оптическое распознавание символов) автоматизирует чтение текста, например, серийных номеров или маркировки. Эта технология позволяет системам проверять правильность нанесенной информации и считывать коды для учета продукции.

Сопоставление шаблонов используется для поиска, подбора и подсчета конкретных моделей. Этот метод особенно эффективен при контроле положения деталей или выявлении отклонений от эталона.

Нейронные сети позволяют решать сложные задачи, с которыми не справляются традиционные алгоритмы. Они обучаются на больших наборах данных и способны распознавать сложные паттерны, классифицировать дефекты и адаптироваться к изменяющимся условиям.

В современных системах технического зрения также используются инструменты глубокого обучения, которые помогают выявлять трудноразличимые и низкоконтрастные элементы. Программное обеспечение от ведущих производителей включает широкий набор инструментов обработки изображений для решения различных производственных задач.

Комплексный подход к выбору компонентов системы технического зрения, который практикуют специалисты CVC, обеспечивает высокую эффективность внедряемых решений. Правильное сочетание камер, датчиков, освещения и программного обеспечения позволяет создавать системы, способные решать широкий спектр задач контроля качества на современном производстве.

Примеры внедрения технического зрения на практике

Практические примеры внедрения технического зрения наглядно демонстрируют, как эта технология трансформирует производственные процессы. Рассмотрим несколько реальных кейсов, которые иллюстрируют разнообразие применений данной технологии.

Контроль упаковки воды: Data Matrix, герметичность, форма

Системы технического зрения эффективно решают задачи проверки качества упаковки на производстве воды. Они проверяют наличие и читаемость Data Matrix кодов, контролируют герметичность бутылок и правильность установки крышек. В частности, системы выявляют такие дефекты, как рваные или отсутствующие этикетки, повреждения на упаковке, а также контролируют наличие защитной пленки и предохранительного кольца.

Сортировка продукции с помощью роботов-манипуляторов

Роботы-манипуляторы в сочетании с системами технического зрения успешно применяются для автоматизации процессов сортировки. Технология позволяет классифицировать продукцию по форме, цвету и другим характеристикам. Например, камеры отслеживают соответствие продукции заданным критериям, а роботы перемещают ее по контейнерам.

Более того, использование робота-сортировщика обеспечивает более компактную систему по сравнению с разветвленными транспортерными линиями. Роботы демонстрируют высокую производительность, которая не снижается со временем, в отличие от человеческого глаза, который "замыливается" уже после первого часа работы.

Контроль СИЗ и безопасности на производстве

Системы технического зрения эффективно отслеживают использование средств индивидуальной защиты (СИЗ). Нейросетевые модели распознают наличие или отсутствие защитных касок, очков, перчаток и других защитных средств в режиме реального времени.

Одна из таких систем была внедрена на промышленном предприятии для контроля использования СИЗ. Система автоматически обнаруживает отсутствие защитной каски или маски для лица, идентифицирует нарушителя и отправляет оповещение ответственным лицам. Это не только повышает безопасность, но и снижает затраты на обеспечение охраны труда.

Мониторинг оборудования и предиктивная аналитика

Технологии технического зрения успешно применяются для мониторинга состояния производственного оборудования. Системы отслеживают функционирование и производительность лиций/станков, анализируют показатели и предупреждают о возможных проблемах.

Например с решениями CVC, на предприятиях рыбоперерабатывающий промышленности удалось повысить OEE на 18%, а благодаря применениюя комплекса моделей на производственном цикле предприятия по металаобработке увеличить выпуск продукции более чем на 12%!

Обратитесь к экспертам CVC за бесплатной консультацией. На консультации специалисты CVC покажут кейсы внедрения и расскажут, как искусственный интеллект может помочь решать задачи именно на вашем предприятии.
В разделе "Кейсы" мы описали, как успешно справляется с различными производственными задачами CVC на конкретных предприятиях абсолютно разных сфер деятельности. Там же в цифрах показали экономическую целесообразность использования системы машинного зрения CVC.

Преимущества и вызовы внедрения технического зрения

Внедрение технического зрения на производстве предлагает значительные преимущества, но также связано с определенными вызовами. Рассмотрим подробнее основные достоинства и трудности, с которыми сталкиваются предприятия при интеграции этой технологии.

Снижение брака и повышение точности

По данным исследований, традиционные технологии машинного зрения с ИИ обнаруживают дефекты намного быстрее, чем специалисты контроля качества, за счет исключительной точности и эффективности. Каждая смарт-камера с ИИ может проверять более 50 изделий с точностью 30–95%. На предприятиях, внедривших системы машинного зрения, уровень брака снизился с 5% до 0,5%, что позволило сэкономить миллионы рублей в год.

Контроль качества продукции происходит в режиме реального времени, что позволяет выявлять дефекты на самых ранних этапах производства. По данным McKinsey & Company, компьютерное зрение способно повысить уровень обнаружения дефектов до 90%.

Снижение влияния человеческого фактора

Техническое зрение эффективно устраняет проблемы, связанные с человеческой невнимательностью или усталостью. В отличие от человеческого глаза, который "замыливается" уже после первого часа работы, производительность роботизированных систем остается стабильной.

Кроме того, автоматизация визуального контроля обеспечивает независимость от изменчивости кадрового состава. Системы машинного зрения ведут непрерывную работу, причем техника "не уволится и её не переманят конкуренты".

Сложности интеграции и настройки

Однако внедрение технического зрения сопряжено с определенными сложностями. Прежде всего, возникают вопросы адаптации к существующей инфраструктуре предприятия — камеры и датчики должны работать синхронно с конвейерами, манипуляторами и другими системами.

Для решения этой проблемы мы разработали стандартные шаги по подготовке инфраструктуры, обучению моделей машинного зрения и поэтапному введению в эксплуатацию

Необходимость квалифицированных специалистов

Работа с машинным зрением требует высокой квалификации специалистов для настройки, обслуживания и анализа работы системы. Неправильная настройка может привести к высокой доле брака или ложным срабатываниям.

На производственном этапе от моделей ожидают точности, приближенной к 100%. Если система ошибается даже в 5% случаев, пользователи уже могут выражать недовольство: "мне система не помогает, только отвлекает".

Специалисты CVC имеют многолетний опыт внедрения систем технического зрения и знают, как избежать типичных ошибок при интеграции. Мы поможем вам определить оптимальную конфигурацию системы для вашего производства и обеспечим обучение персонала.
Заключение
Техническое зрение, несомненно, стало одной из ключевых технологий современной промышленной автоматизации. Данная технология предоставляет уникальные возможности для контроля качества продукции, повышения эффективности производственных процессов и минимизации человеческого фактора. Благодаря способности обрабатывать тысячи изображений в секунду с высочайшей точностью, системы машинного зрения значительно снижают процент брака — с 5% до 0,5%, что подтверждается опытом многочисленных внедрений.

Камеры, датчики, системы освещения и программное обеспечение составляют единый комплекс, который эффективно решает широкий спектр задач: от контроля упаковки до мониторинга средств индивидуальной защиты. Фактически, техническое зрение становится "неутомимым инспектором", который круглосуточно следит за качеством продукции. Хотя внедрение таких систем сопряжено с определенными вызовами, включая необходимость тщательной настройки и интеграции с существующей инфраструктурой, преимущества значительно перевешивают трудности.

Однако следует помнить, что эффективность системы технического зрения напрямую зависит от правильного подбора компонентов и настройки под конкретные производственные задачи. Обратитесь к экспертам CVC за бесплатной консультацией. На консультации специалисты CVC покажут кейсы внедрения и расскажут как искусственный интеллект может помочь решать задачи именно на вашем предприятии.

Таким образом, техническое зрение — это не просто технология будущего, а надежный инструмент повышения конкурентоспособности производства уже сегодня. Компании, которые внедряют системы машинного зрения, получают существенное преимущество в виде повышения качества продукции, сокращения затрат на контроль и увеличения производительности. Будущее производства за интеллектуальными системами, способными видеть, анализировать и принимать решения быстрее и точнее человека.

Cyber Vision Control

Хотите узнать, как можно сократить потери вашей компании с помощью видеоаналитики CVC? Звоните.
Получите конкурентное преимущество!
20 дней
Средний срок окупаемости внедрения CVC
>10 млн
>100 млн
Выявлено дисциплинарных нарушений
Выявлено экономических нарушений

FAQs

Читать по теме