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Bon éclairage, bonne détection : Techniques d’éclairage pour la visionindustrielle

En concevant un système d’imagerie, la sélection d’un éclairage est particulièrement décisive. C’est ce point qui va conditionner la qualité de l’enregistrement d’images et la complexité du traitement d’images. Ce choix compte fréquemment parmi les problèmes les plus complexes et les plus négligés dans l’imagerie.

Introduction

Les systèmes d’imagerie se composent généralement d’un capteur (caméra…) et d’une unité de traitement (ordinateur, carte d’acquisition, logiciel de traitement). L’éclairage, bien que moins évident, joue un rôle critique dans la chaîne de traitement. En effet, le contrôle n’est pas effectué directement sur l’objet mais sur une image de cet objet. La façon dont il va être représenté visuellement va donc être cruciale. Pour cela, les conditions d’éclairage doivent être stables et reproductibles, afin de permettre une représentation constante d’un objet identique, ainsi que des conditions d’examens reproductibles.

Pour que des caractéristiques précises d’un objet puissent être contrôlées, il est nécessaire que celles ci soient visualisées avec un contraste suffisant. En règle générale, l’objet est éclairé par une source de lumière, le cas des objets auto-luminescents étant une exception sur laquelle nous ne nous arrêterons pas. La pratique nous montre que, même si cette problématique peut paraître secondaire, rendre un défaut clairement visible est une des difficulté majeure de l’imagerie.

Applications

Certaines applications sont particulièrement sensibles à la géométrie de l’éclairage. On peut citer par exemple, la détection de rayures sur des plaques métalliques, ou encore la lecture de caractères gravés sur le fond d’une bouteille en verre. Malgré le fait que l’erreur et l’objet en lui même soient constitués d’un même matériau (parfois transparent), il est nécessaire de pouvoir l’imager de façon correcte.

L’image sur laquelle nous allons travailler dépend directement de trois éléments : l’éclairage, la caméra et l’objet (cf. image 1).

L’analyse et l’exploitation des propriétés de ces trois éléments apporte souvent la solution à des problématiques complexes.

Les caractéristiques variables (teinte par exemple) de l’objet vont directement impacter le choix de la caméra. La caméra, pour sa part, va définir l’optique à utiliser, par le biais de sa distance de travail, et de sa monture optique. Par le format et le débit de données, la caméra va également dimensionner l’unité de traitement (ordinateur, carte d'acquisition).

Différentes sources de lumière

Généralement, on observe des objets en lumière blanche (soleil, lampes…). En imagerie, la lumière blanche est également fréquemment employée. Selon la problématique (quantité de lumière, taille de l’objet, dimensions du montage), différentes sources de lumières peuvent être utilisées :

  • Eclairage à LEDs (cf. image 2)
  • Sources de lumière à métal haloïde (source de lumière froide, avec transmission en fibre optique, cf. image 3)
  • Laser
  • Tubes fluorescents (haute fréquence)
  • Lampe Halogène

Bleu, blanc, rouge?

Il est également courant d’utiliser des sources de lumière colorée, en particulier, dans le rouge. L’exemple suivant illustre une application de l’éclairage rouge. Sur l’image 4, vous pouvez voir une étiquette apposée sur une bouteille de soda. L’œil standard voit une étiquette colorée avec un monogramme bleu foncé et rouge (cf. image 7).

Pour une caméra monochrome, couplée à un éclairage blanc, l’étiquette ressemble à une photocopie : le rouge et le bleu sont devenus gris, alors que le reste est plus clair, voire blanc (cf. image 8)

Si l’on choisit d’éclairer cette étiquette avec une lumière rouge (éclairage à LEDs par exemple), et de la visualiser avec une caméra couleur, les éléments rouges, blancs et gris clairs apparaissent en rouge, tandis que les éléments bleus ou noir apparaîtront en noir (cf. image 9). En effet, la lumière rouge monochromatique est réfléchie par les éléments rouges, et absorbée par les éléments bleus.

Par exemple, si l’utilisateur cherche à contrôler l’impression du monogramme “Pepsi“, une caméra couleur et un éclairage rouge seront parfaitement bien adaptés, ils permettront de sélectionner l’information utile dans l’objet. Comme le montre l’image 10, une caméra monochrome peut être utilisée pour le même résultat. D’une manière générale, en lumière monochrome, une caméra monochrome suffit.

Techniques d'éclairage

L’angle d’incidence de la lumière conditionne également la visualisation de l’objet. On parle de plusieurs techniques d’éclairage, lumière transmise ou réfléchie, spéculaire ou diffuse, claire ou foncée. Les images 8 à 12 montrent quelques exemples des différentes images que l’on peut avoir pour un même objet, selon la structure de l’éclairage.

  • Eclairage incident (une lumière annulaire éclaire directement l’objet, plus ou moins collimatée ). L’image apparaît de manière très peu homogène et tachée. (Image 11)

  • Eclairage diffus sur fond clair, l’image apparaît de manière plus homogène. On constate un fort contraste entre l’objet et l’arrière plan. Cependant, la surface brillante de la fiche “éblouit“ la caméra, elle ne détecte donc plus certains détails. Des ombres se forment également sur la partie supérieure de la fiche. (Image 12)

  • Eclairage diffus sur fond obscur, lumière à mi-pente d’une lampe annulaire, avec un angle entre la lumière réfléchie et l’objet. Davantage de détails sont visibles. Aucune ombre n’apparaît. (Image 13)



  • Eclairage sur fond obscur : lumière en incidence rasante sur le plan de l’objet. Les arrêtes supérieures des broches, fiches et trous constituent des cercles clairs et sont nettement identifiables. La broche manquante (absence de cercle), et la broche incurvée (mauvaise position), sont mieux visibles, contrairement à l’image obtenue en lumière réfléchie. (Image 14)

  • Contrôle par lumière transmise. La lumière est dirigée de l’arrière de l’objet, vers la caméra (backlight, rétro-éclairage). L’objet n’étant translucide qu’aux endroits où il n’y a pas d’obstacles, les trous de chaque côté de la fiche peuvent être mesurés précisément et une tache claire, facilement détectable, se trouve à l’emplacement de la broche manquante. (Image 15)

Ces cinq éclairages différents produisent donc 5 résultats complètement différents.

Demandez aux experts !

Cette rapide introduction aux différentes techniques d’éclairage montre que si ce choix peut paraître secondaire, il est en réalité fondamental. Une définition exacte de la problématique et une grande expérience de l’imagerie, sont autant d’atouts pour choisir au mieux.

Pour vous faciliter ces choix, une voie simple existe, STEMMER IMAGING est le plus grand distributeur en Europe de composants en vision industrielle et imagerie professionnelle. Il possède, entre autres, une large gamme de plusieurs centaines d’éclairages universels et des fabricants tels que CCS, Siemens (Nerlite), Phlox, V-Cubed, Stocker & Yale et Volpi. En nous basant sur notre longue expérience, nous trouverons sans aucun doute la solution optimale pour votre application d’imagerie.