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Une qualité ligne par ligne

Si des erreurs sur des rubans d’acier, des bandes de papier ou d’autres matériels continus doivent être contrôlées à des vitesses très rapides lors de leur fabrication, les systèmes de traitement d’images basés sur les caméras linéaires constituent souvent la seule solution réalisable du point de vue technique et économique. L’article suivant commente l’état de la technique pour des systèmes de ce genre.

Pour des tâches ayant pour but de détecter des erreurs sur un feuillard mobile, des caméras linéaires représentent généralement la meilleure alternative, si l'on compare avec des caméras matricielles traditionnelles. L'utilisation de caméras linéaires se heurte cependant toujours à des restrictions qui sont notamment dues à un manque d'expérience avec cette méthode. Ceci conduit à ce que les utilisateurs de traitement d'images utilisent alors fréquemment dans leurs applications la technique de caméra linéaire traditionnelle, alors que l'utilisation de caméras linéaires serait plus judicieuse d'un point de vue technologique. Dans ce contexte, les caméras linéaires proposent justement une solution économique, permettant de générer des images à haute résolution et de les mettre rapidement à la disposition du logiciel à des fins d'évaluation sur les plateformes PC standard de plus en plus rapides.

Le mode de fonctionnement des caméras linéaires

Des domaines d'application classiques des caméras linéaires sont des applications dans lesquelles des «produits en bande» doivent être analysés (voir image 1).

La raison pour laquelle les caméras linéaires sont mieux adaptées que les caméras matricielles pour ces procédés ayant lieu la plupart du temps en processus continus, réside en une différence principale de structure de ces deux technologies :
Les caméras linéaires fournissent pour chaque type de caméras une succession d'images fixe (synchrone) ou variable (asynchrone) d'un objet mobile. Pour une saisie complète d'objets continus, l'acquisition d'image a lieu en pratique avec un chevauchement des images. Ensuite, les images individuelles des logiciels doivent être coupées laborieusement, les distorsions doivent en être supprimées et les images doivent être alignées.

Les caméras linéaires possèdent en revanche uniquement une seule ligne d'éléments d'images photosensibles, qui lisent les objets mobiles en continu avec une haute fréquence de lignes. Selon l'état actuel de la technique, les résolutions de caméras linéaires se situent généralement entre 512 et 12888 pixels. Des capteurs dotés de longueurs d'arête de pixels de 7 µm, 10 µm et 14 µm sont courants sur le marché. En cas de très haute résolution, un pixel de plus petite taille est utilisé pour le design du capteur en raison de l'objectif à utiliser ultérieurement, car un capteur de 8000 pixels et d'une longueur d'arête de 10 µm ne pourrait par ex. être «éclairé» sans distorsion plus que par un objectif d'un diamètre d'image circulaire de 8 cm au minimum.

En fonctionnement, les chargements des pixels individuels sont enregistrés dans un registre horizontal disposé en parallèle et transformé pixel par pixel en des valeurs numériques qui peuvent ensuite être lues et corrigées par le PC. Pour explication : Si une caméra linéaire était dirigée sur un objet fixe et exploitée par ex. avec une fréquence de ligne constante de 1 kHz, 1000 lignes d'un moniteur de PC seraient alors remplies en l'espace d'une seconde avec les mêmes informations de valeur de gris.

Le réglage correct importe

Cet exemple montre clairement qu'une image 2D d'un objet plat ne peut être créée lors de l'enregistrement avec une caméra linéaire que si celle-ci se déplace à une vitesse raisonnable sous la caméra. Naturellement, la caméra pourrait également être conduite sur l'objet – dans certaines applications, ceci est même complètement possible.

Pour atteindre la même résolution en cas d'objet mobile dans le sens du déplacement (direction Y) comme dans la direction de la largeur de l'objet (direction X), la fréquence de lignes de la caméra doit être couplée avec la vitesse de l'objet. Si ceci n'est pas le cas, une extension ou une déformation de l'image de l'objet a lieu sur le moniteur ou dans la mémoire image à une fréquence de ligne réglée de manière fixe et à une vitesse d'objet variable. Cependant, la vitesse des bandes transporteuses ou des dispositifs de déplacement est généralement soumise en pratique à des commutations de puissance, des procédures de freinage et d'accélération et elle est pour cette raison rarement homogène. De ce fait, il est en général impossible de travailler avec une fréquence de ligne fixe.

Le matériel utilisé doit permettre d'adapter la fréquence de ligne à la vitesse momentanée du matériel à contrôler, car c'est la seule manière d'obtenir une évaluation plane raisonnable et précise de l'image avec des algorithmes logiciels.

En pratique, ceci est réalisé principalement par un codeur incrémental couplé avec l'unité d'entraînement. Cette réponse devrait naturellement avoir lieu à partir d'un endroit où le plus petit glissement par rapport à l'objet est attendu. Cette question doit être examinée au cas par cas. Les pulsions du codeur sont ensuite conduites à la carte d'acquisition d'image et conditionnées par des démultiplicateurs de fréquence pour la résolution souhaitée dans le sens de rotation, avant de les transmettre à la caméra linéaire afin de déclencher l'exposition.

Ainsi, le premier obstacle serait franchi pour maintenir la résolution constante à des vitesses variables. Mais le plus dur reste malheureusement à faire, car la fréquence de lignes est à présent couplée "solidement" avec la vitesse, cependant le moniteur afficherait alors, en fonction de la vitesse, une image avec une clarté différente. La raison à cela réside dans les temps d'exposition variables du capteur linéaire à une fréquence de ligne variable. Le temps d'exposition dans ce «type d'exploitation de base» est grossièrement la valeur inverse de la fréquence de ligne ou l'écart entre deux pulsions de déclenchement.

A l'aide des signaux de timing correspondants, le temps d'intégration du capteur est maintenu constant. Le réglage a lieu sur la carte d'acquisition d'image et s'oriente sur la fréquence de ligne maximale à attendre. Si la fréquence de ligne maximale s'élève par ex. à 10.000 Hz, le temps d'intégration doit alors être réglé sur une valeur inférieure à 1/10.000 s. L'état idéal est ainsi atteint: L'image est aussi toujours exposée de manière constante et conserve sa résolution. Le signal de commande menant à la caméra linéaire contient à présent l'information sur la fréquence de ligne actuelle et le temps d'exposition et constitue pour des concepts modernes un mélange de successions de pulsions et de longueur de pulsions.

Rapidité et sensibilité

Les différences de caractéristiques techniques des caméras linéaires sont gigantesques. Il existe donc des modèles qui ont été spécialement optimisés en rapport à la haute vitesse et la haute sensibilité. La caméra linéaire Spyder3 du fabricant canadien DALSA, disponible dans des variantes de 1024 et 2048 pixels, avec des débits de données allant jusqu'à 80 MHz, en est un exemple. Avec une taille de pixels de 14 x 14 µm² et une deuxième ligne pouvant être enclenchée, ce modèle est disponible également pour des applications à faible lumière (voir image 2).

Le principe le plus performant en matière de sensibilité est connu sous le nom de TDI (Time Delay and Integration) et a été perfectionné par DALSA. Pour cette technique de capteurs sophistiquée, une information de lignes est copiée de manière synchrone au déplacement de l'objet dans un capteur constitué de plusieurs lignes et de nouveau exposé avec la même information d'image. Ainsi, une sensibilité 100 fois plus puissante que des variantes standard est atteinte.

Pour la technique de convertisseur A/D et de capteur, les fréquences du pixelclock de 80 MHz pour des signaux de 12 bits ne sont plus á l'ordre du jour et permettent des fréquences de lignes pour par ex. 1024 pixels de bien plus de 50 kHz. En matière de vitesse, l'utilisateur de caméras linéaires doit cependant vivre tout en sachant que le débit de données ou la fréquence de pixelclock d'un capteur (CCD) sont limités. La fréquence de ligne maximale en rapport avec la résolution du capteur possède pour cela des limites physiques, pouvant cependant être manipulées par la possibilité de la division du travail: En cas de caméras linéaires puissantes, le capteur peut être divisé en plusieurs zones qui peuvent ensuite être lues en parallèle á vitesse pleine. Ainsi, le capteur de la caméra linéaire á haute puissance DALSA Piranha3 de 8142 pixels est lu sur 8 canaux de 40 MHz chacun. De cette manière, une fréquence de ligne de 33,7 kHz au maximum peut être réalisée! (voir image 3).

Dans des cas d'applications pour lesquelles même une caméra á haute résolution ne suffit pas, deux ou trois caméras sont souvent installées dans une ligne, car plusieurs caméras linéaires á demi-résolution peuvent être lues beaucoup plus rapidement.

Pour accentuer davantage les précisions des caméras linéaires, les fabricants imaginent en permanence de nouvelles solutions. L'entreprise DALSA garantit par exemple avec un procédé spécialement élaboré que les capteurs de ses caméras soient placés de manière optimale et toujours insérés avec précision dans la caméra. Ainsi, le fabricant facilite avant tout le remplacement et le réajustement de caméras. En outre, les frais de maintenance sont réduits pour l'utilisateur.

Configuration simple

La diversité des applications pour des caméras linéaires exige une configuration flexible de la caméra. L'état de la technique est aujourd'hui par exemple le réglage variable de la sortie des données: Généralement, l'utilisateur peut donc régler par exemple la profondeur de données á 8, 10 ou 12 bits et sélectionner une sortie de données sur huit canaux au maximum ainsi que le débit de données. Des tableaux de correction (par ex. correction de champ plat) peuvent être également téléchargés dans la caméra. Le mode d'exploitation peut être commuté entre le mode libre et le mode «trigger».

Les techniques décrites jusqu'á présent dans cet article se rapportent aux caméras monochromes qui constituent la majeure partie des caméras linéaires utilisées. Cependant, il existe également des modèles de caméras linéaires pour des applications couleurs ou la détection des couleurs. Dans ce segment, trois systèmes différents se sont établis. Il existe donc des caméras 3 CCD précises pour lesquelles le faisceau est divisé par un prisme sur trois capteurs. Les caméras tri-linéaires ne sont guère moins précises. Dans ce type de caméras, trois lignes RGB très rapprochées les unes des autres saisissent l'objet déplacé. Le système électronique interne de caméra compense le décalage de ligne résultant. Pour des applications á faible coût, des caméras linéaires couleurs monolignes avec pixels triplement codés (filtre RGB) sont également á disposition.

La combinaison est décisive

Même la meilleure caméra linéaire, á elle seule, n'est cependant pas en mesure de résoudre de manière efficace et avec qualité une tâche d'inspection dans la fabrication industrielle. Pour le bien de l'ensemble de l'acquisition d'image, l'interaction correcte des différentes composantes, de l'éclairage au matériel d'acquisition d'image en passant par l'optique et la caméra joue un rôle beaucoup plus décisif. A l'étape suivante, la performance du logiciel de traitement d'image raccordé de série, qui se charge de l'évaluation des données livrées, est également d'une importance tout aussi centrale.

Pour chaque maillon de cette chaîne, il existe, grâce aux demandes en forte croissance de solutions d'application, un grand éventail de techniques et produits fondamentalement différents, qui permettent une interaction harmonieuse. Aujourd'hui, la combinaison d'une caméra linéaire adaptée au matériel d'acquisition d'image correct ne constitue plus un grand problème, en raison des standards communs sur lesquels les fabricants de caméra et de cartes se sont déjá mis d'accord depuis des années. Pour sélectionner cependant les différents éléments d'une solution complète optimisée sur les exigences de l'application respective, il est nécessaire que des spécialistes apportent leur expertise.

STEMMER IMAGING, spécialiste en traitement d'images basé á Puchheim, propose á ses clients toutes les composantes servant á résoudre des applications de traitement d'image, s'étendant de l'éclairage, des caméras, des cartes d'acquisition d'images aux logiciels, en passant naturellement par les produits de câbles et d'accessoires qui les accompagnent. L'expérience de longue date de l'entreprise, ses fournisseurs internationaux performants et la collaboration avec de nombreuses sociétés compétentes á la base des applications permet á STEMMER IMAGING de disposer de tous les outils servant á élaborer pour le client final un système spécialement adapté á ses exigences. Naturellement, ceci ne s'applique pas seulement aux applications de caméras linéaires, mais également á toutes les autres tâches dans lesquelles le traitement d'image peut être utilisé.

Applications intéressantes

Les applications dans lesquelles des «produits en bande» doivent être contrôlés sont des domaines d'application classiques pour les caméras linéaires. Il existe pour cette raison une multitude d'exemples dans l'industrie. Ainsi, les caméras linéaires, entre autres, sont employées dans l'industrie typographique lors de la fabrication du papier et pour son traitement ultérieur, pour la fabrication de tôles d'acier ou de feuilles de verre, ainsi que dans la manufacture de textile, afin de détecter et de classifier des erreurs touchant les matériaux. A l'exemple des tôles d'acier, les systèmes de traitement d'images permettent une utilisation et une classification de prix dépendant de la qualité des tôles, du fait que les parties exemptes d'erreurs sont par ex. utilisées pour des pièces de véhicule visibles comme les ailes, les portes ou le capot du moteur, et les parties comportant de légères erreurs de surfaces, en revanche, pour des pièces de véhicule invisibles, sur le dessous de caisse ou pour des pièces á revêtement sur le véhicule.

Le traitement des denrées, par ex. en cas de tri des grains de blé ou d'autres denrées similaires qui tombent sur une section descendante comme un rideau sur une ou plusieurs caméras linéaires, constituent également des applications intéressantes pour caméras linéaires. Le système de traitement d'images détecte les grains de maïs de mauvaise qualité ou les pièces étrangères et commande des buses de transport pneumatique situées en dessous, qui excluent les pièces inutilisables.

Ces exemples montrent uniquement une partie des possibilités techniques et des applications réalisées par des caméras linéaires !

Un exemple pratique concernant la détection de fréquence de ligne et de temps d'exposition:

Doivent être connus: Largeur de l'objet: L = 370 mm Vitesse de l'objet: v = 3 m/s Résolution requise: Dx = 0,2 mm / pixel

Le nombre requis de pixels se calcule ainsi á partir de

n pixel = L / Dx

Une résolution d'au minimum 1850 pixels est ainsi requise. En pratique, des modèles de 2048 pixels sont disponibles. Si á présent la largeur de l'objet de 370 mm est représentée sur la ligne de 2k, un pixel saisit donc 0,18 mm dans l'objet. Si des résolutions horizontale et verticale sont identiques (rapport 1:1), le temps Tz peut être calculé comme suit pour une ligne, et ainsi la fréquence de ligne nécessaire fz en cas de service nominal:

fz = v / Dy

En raison de la résolution calculée Dx = Dy avec Dx = 0,18 mm, il résulte que:

fz = 16667 Hz

La caméra linéaire devrait en conséquence être conçue pour une fréquence de 16,7 kHz minimum.

La SPYDER2 S2-1x-02k40 compacte de DALSA, d'une fréquence de ligne de 18 kHz au maximum, constitue ainsi la solution optimale pour cette application et offre qui plus est d'autres réserves: Si le type de production est accru, la vitesse de l'objet peut être augmentée jusqu'á 3,24 m/s au maximum.

Bilan

Les caméras linéaires offrent une possibilité de contrôle de qualité économique et extrêmement puissante du point de vue de la technique ce pour des applications déterminées, avant tout pour l'inspection de matériel continu.