پروژه سیستم های کنترل بینا

1 کلیات

تکنولوژی ماشین بینایی و تصویر برداری دیجیتالی شامل فرآیندهایی است که نیازمند بکارگیری علوم مختلف مهندسی و نرم افزاری کامپیوتر می باشد. این فرآیند را می توان به چند دسته اصلی تقسیم نمود:

1 ایجاد تصویر به شکل دیجیتالی

2 بکارگیری تکنیکهای کامپیوتری جهت پردازش و یا اصلاح داده های تصویری

3 بررسی و استفاده از نتایج پردازیش برای اهدافی چون هدایت ربات یا کنترل نمودن تجهیزات خودکار، کنترل کیفیت یک فرآیند تولیدی، یا فراهم آوردن اطلاعات جهت تجزیه و تحلیل آماری در یک سیستم تولیدی کامپیوتری (MAC).

قبل از آنکه بتوان هر یک از بخشهای خاص این تکنولوژی را بطور تخصصی بررسی نمود. می بایستی آشنایی کلی با هر یک از اجزاء سیستم پیدا کرد و از اثرات هر بخش بر روی بخش دیگر مطلع بود. ماشین بینایی و تصویربرداری دیجیتالی از موضوعاتی است که در آینده نزدیک تلاش و تحقق بسیاری از متخصصان را بخود اختصاص خواهد داد.

در طی سه دهه گذشته تکنولوژی بینایی کامپیوتری بطور پراکنده در صنایع فضایی، نظامی و بطور محدود در صنعت بکار برده شده است. جدید بودن تکنولوژی نبودن سیستم مقرون به صرفه در بازار و نبودن متخصصین این رشته باعث شده است تا این تکنولوژی بطور گسترده استفاده نشود. تا مدتی قبل از دوربین ها و سنسورها استفاده شده معمولاً بصورت سفارشی و مخصوص ساخته می شدند  تا بتوانند برای منظور خاصی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین فرآیند ساخت مدارهای مجتمع بسیار بزرگ (VLSI ) آنقدر پیشرفت نکرده بود تا سنسورهای حالت جامد با رزولوشن بالا ساخته شود.

استفاده از سنسورهای ذکر شده مستلزم این بود که نرم افزار ویژه ای برای آن تهیه شود و معمولاً این نرم افزارها نیز نیاز به کامپیوترهایی با توان پردازش بالا داشتند. علاوه بر همه این مطالب مهندسین مجبور بودند که آموزشهای لازم را پس از فراغت از تحصیل فراگیرند. زیرا درس ماشین بینایی در سطح آموزشهای متداول مهندسی ( لیسانس) در دانشگاهها و به شکل کلاسیک ارائه نمی شد.

تکنولوژی ماشین بینایی در دهه آینده تاثیر مهمی بر تمامی کارهای صنعتی خواهد گذاشت که دلیل آن پیشرفتهای تکنولوژی اخیر در زمینه های مرتبط با ماشین بینایی است و این پیشرفتها در حدی است که از این تکنولوژی هم اکنون حیاتی می باشد.

بطور کلی سه شرط ضروری برای فراگیر شدن یک تکنولوژی جدید عبارت است از :

1 وجود سخت افزار اعتماد با قیمت معقول

2 وجود متخصصینی که دانش سخت افزاری و نرم افزاری را در بکارگیری تکنولوژی داشته باشند.

3 وجود نیاز یا بروز مشکلی که نیازمند حل باشد.

امروزه تمامی این شرایط در مورد تکنولوژی ماشین بینایی صادق است. سنسورهای حالت جامد و کامپیوترهای شخصی امروزی به عنوان ابزارهای کارآمد، مطمئن و ارزان برای پردازش تصویر و تصمیم گیری درباره آن موجود می باشد. دانشگاهها ( در امریکا) به تعداد کافی مهندسینی را تربیت می‌کنند که دانش و مهارت کافی در زمینه ماشین بینایی را دارند و بالاخره به دلیل حفظ استانداردها در سطح ملی نیاز به افزایش بهره‌وری و بهبود کیفیت در امریکا وجود دارد. علاوه بر این، بدلیل مسائلی از قبیل نیاز به بررسی دعاوی صنعتی و نیاز به داشتن اطلاعات کامل از محصول در مراحل مختلف بطوریکه دسترسی به آن مقتدر باشد صنایع تولیدی را وادار می کند تا فرآیند جمع آوری و ذخیره اطلاعات مربوط به محصول در مراحل مختلف تولید را خودکار نمایند.

در گذشته بسیاری از فرآیندهای تولید بر اساس بکارگیری نیروی انسانی و بینایی وی طراحی شده اند. در این سیستمها بینایی انسان به عنوان جزء لاینفک تواناییهای فرآیند بوده است. ورود رباتها به کارخانجات و حذف نیروی انسانی، ضرورت اضافه نمودن بینایی مصنوعی به سیستم را ایجاب می نماید. جهت بررسی موضوع نیاز به بکارگیری ماشین بینایی بجای بینایی انسان لازم است تا مطالعه دقیق تری صورت گیرد و تواناییهای این دو با هم مقایسه گردند.

11 بینایی و اتوماسیون کارخانه

وظایف اساسی که می تواند توسط سیستمهای ماشین بینایی انجام گیرد شامل سه دسته اصلی است:

1 کنترل

2 بازرسی

3 ورود داده

کنترل در ساده ترین شکل آن مرتبط با تعیین موقعیت و  ایجاد دستورات مناسب می باشد تا یک مکانیزم را تحریک نموده و یا عمل خاصی صورت گیرد. هدایت نقاله های هدایت شونده خودکار(AGV’s ) در عملیات انتقال مواد در یک کارخانه، هدایت مشعل جوشکاری در امتداد یک  شیار یا لبه، یا انتخاب یک سطح بخصوص برای انجام عملیات رنگ پاشی، توسط ربات، مثالهایی از بکارگیری ماشین بینایی در کنترل می باشند.

کاربردهای ماشین بینایی در بازرسی مرتبط با تعیین برخی پارامترها می‌باشد.

ابعاد مکانیکی و هم چنین شل آن، کیفیت سطوح، تعداد سوراخها در یک قطعه، وجود و یا عدم وجود یک ویژگی یا یک قطعه در محل خاص از جمله پارامترهایی هستند که توسط ماشین بینایی ممکن است بازرسی شوند. عمل اندازه گیری توسط ماشین بینایی کم  و بیش مشابه بکارگیری روشهای سنتی استفاده از قیدها و سنجه های مخصوص و مقایسه ابعاد می باشد. سایر عملیات بازرسی بجز موارد اندازه گیری شامل مواردی چون کنترل وجود بر چسب بر روی محصول ( داروئی، غذایی، . . . ) بررسی رنگ قطعه، وجود مواد خارجی در محصولات غذایی نیز با تکنیکهای خاص انجام می گیرد:

کار بازرسی ممکن است حتی شامل مشخص نمودن خواص یا ویژگیهای الکتریکی یک محصول گردد. با مشاهده خروجی اندازه گیری های الکتریکی می‌توان صحت عملکرد محصولات الکتریکی را بازرسی نمود. هر چند که در چنین مواردی چنانچه سیستم بینایی کار دیگری بجز مورد ذکر شده انجام ندهد. معمولاً روش ساده تر و مقرون به صرفه تر بدین صورت خواهد بود که کار بازرسی فوق توسط یک ریز پردازنده و ابزارهای مربوطه انجام گیرد.

اطلاعات مربوط به کیفیت محصول و یا مواد و همچنین تعقیب فرآیند تولید را می توان توسط ماشین بینایی گرفته و در بانک اطلاعاتی سیستم تولید کامپیوتری جامع بطور خودکار وارد نمود. این روش ورود اطلاعات بسیار دقیق و قابل اعتماد است که دلیل آن حذف نیروی انسانی از چرخه مزبور می باشد. علاوه بر این، ورود اطلاعات بسیار مقرون به صرفه خواهد بود چرا که اطلاعات بلافاصله پس از بازرسی و به عنوان بخشی، از ان جمع آوری و منتقل است منحصر به یک سیستم پیچیدگی سیستمهای بینایی متفاوت می باشد. این سیستمها ممکن است منحصر به یک سیستم بارکدینگ  معمولی که برای مشخص نمودن نوع محصول جهت کنترل موجودی بکار می رود. تشکیل شده باشد یا ممکن است متشکل از یک سیستم بینایی صنعتی کامل برای اهدافی چون کنترل کیفیت محصول باشد.

21 بینایی انسان در مقابل بینایی ماشین

نقش بینایی انسان در یک سیستم اتوماسیون صنعتی بسیار پیچیده بوده و نمی توان آن را به عنوان یک سیستم جدا که دارای نقش جداگانه ای است،‌در نظر گرفت. سیستم بینایی انسان به عنوان جزئی از یک مجموعه بوده و دارای تاثیرات متقابل بر روی سایر سنسورها می‌باشد. میزان وابستگی بینایی به سایر سنسورهای بدن مختلف بوده و بستگی به هوشمندی فرد و همچنین سیگنالهای دریافت شده از سایر سنسورهای بدن دارد.

علاوه بر این، حلقه های بازخور پیچیده پاسخهای تطبیقی، و پردازش سیگنالها در سطوح مختلف در بخشهای مختلف بدن وجود دارند. به عنوان مثال مردمک چشم انسان در مقابل ورود پرتوهایی با مشخصات ویژه حساس می باشد.

خستگی در افراد، بیماری، میزان آموزش و دانش آنها در میزان کارآیی بینایی انسان تاثیر می گذارند. این تاثیرها معمولاً بگونه ای است که مقدار آن براحتی قابل اندازه گیری نیست.

لذا معمولاً اندازه گیری مقایسه ای بر اساس میزان دستیابی به هدف تعیین شده صورت می گیرد.

31 پارامترهای مقایسه ای

در این قسمت ماشین بینایی بر اساس وظایفی که انجام می دهد و پارامترهای وابسته به آن در ارتباط با فرایندهای صنعتی یا تولیدی یا بینایی انسان مقایسه خواهد شد نظر به اینکه مقایسه تمامی وظایف بسیار مفصل خواهد بود، به بررسی بخش محدودی از نقشهایی که اهمیت بیشتری در کاربردهای صنعتی دارند پرداخته می شود.

تطبیق پذیری

تصمیم گیری

کیفیت اندازه گیری

توانایی بررسی صحنه های دو و سه بعدی

توجیه اقتصادی

عامل مهم در استفاده از ماشین بینایی در مقایسه با بکارگیری نیروی انسانی افزایش توانمندی و بهبود کارایی می باشد. توجه خاص به آن دسته از کارآئیهای ماشین بینایی که خارج از توان بینایی انسانی می‌باشد. می تواند بیانگر توجیه استفاده از ماشین بینایی در فرآیندهای تولیدی باشد.

131 تطبیق پذیری

توانایی سیستم در تنظیم تغییر و اصلاح خودکار عملیاتش مطابق با پارامترهای  محیط در جهت رسیدن به هدف مطلوب را تطبیق پذیری سیستم گویند.به عنوان مثال وقتی که شیئی مورد بازرسی قرار می‌گیرد و یا بازرسی اولیه نمی توان قضاوت کاملی انجام داد. توانایی در تصمیم گیری و اجرای یک مشاهده ثانوی دقیق تر را می توان تطبیق پذیری فرد با شرایط نامید.

تواناییهای سیستم ماشین بینایی تغییر پذیر نیستند. این تواناییها با توجه به سخت افزار و نرم افزار بکار رفته در سیستم می باشند. سیستم ماشین بینایی پس از تنظیمات اولیه عمل دیدن را با دقت مشخص و ثابتی تکرار می کند. این سیستمها به دلیل اینکه می توانند برای شرایط مختلف اندازه گیری تنظیم می شوند، تطبیق پذیر هستند.

بینایی انسان از نظر اینکه می تواند تصاویر را از زوایای مختلف دیده و با وجود مانع برسر راه دید از یک زاویه مشخص قادر به تشخیص شیء باشد و هم چنین به دلیل این که می تواند شیء را در صورت نیاز با بزرگنمائیهای متفاوت و با جزئیات متفاوت مشاهده کند، بسیار تطبیق پذیرتر می باشد. سیستم بینایی انسانی یک سیستم پویا است که میزان توانایی آن به مشخصات فیزیکی چشم و هم چنین هوشمندی فرد بستگی دارد. این موضوع در شکل 11 نمایش داده شده است

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

هوشمندی به عوامل متعددی که قابل اندازه گیری نیستند نیز، بستگی دارد. برخی از این عوامل عبارتند از بادگیری، توانایی بررسی روابط حاکم بریک مجموعه و درک موضوعات انسان این فرایند ها را بطور خودکار انجام می دهد و توانایی بادگیری آنرا از طریق سعی و خطا بدون نیاز به برنامه ریزی قبلی دارد.

نیاز به اغلب فرآیندهای تولید ثابت و بسیار محدود بوده که نوع محصول و فرایند، نوع و میزان نیاز را مشخص می کند، از آنجائیکه هزینه های تولید ارتباط مستقیم با محدوده کیفیت محصول دارد، بسیار مطلوب خواهد بود تا بتوان محصولاتی با  کیفیت مشخص و در حد لازم ( دارای محدوده تعریف شده معین) و با درجه اطمینان معلوم تولید نمود.

خاصیت تطبیق ناپذیری و ماشین بینایی ممکن است به عنوان یک مزیت آن در برخی از کاربردهای صنعتی مطرح شود چرا که ماشین بینایی، اندازه گیری و قضاوتی یکسان و بدون تغییر را برای فرآیند های مشابه در خطوط تولید حاصل خواهد نمود و در نتیجه محصولاتی با کیفیت یکنواخت ارائه خواهند شد.

بطور خلاصه، بینایی انسان بسیار تطبیق پذیرتر از سیستم ماشین بینایی است. این تطبیق پذیری بینایی انسانی منتج از وجود مغز هوشمند انسان در چرخه فرآیند دیدن است.

بطوریکه مغز در صورت نیاز دستور تغییرات و اطلاحات لازم را در شرایط دیدن صادر می کند. تطبیق پذیری یک سیستم بینایی در مراحل اولیه ایجاد یک سیستم بسیار مفید است چرا که در هنگام ایجاد یک سیستم جدیدی مقادیر پارامترهای آن سیستم ما معلوم می باشند.

231 تصمیم گیری

در هر کاربرد خودکار صنعتی که در آن سیستم بینایی بکار گرفته شده است حداقل در یک مرحله آن تصمیم گیری وجود دارد. تصمیم گیری ممکن است بر اساس مقادیر پارامترهایی باشد که بگونه ای مرتبط با پارامترهای مورد اندازه گیری هستند.

سیستم بینایی انسان قادر به درک و تفسیر صحنه ها می باشد و می‌تواند در هنگام بازرسی بر اساس مشخصاتی از قبیل رنگ، شکل ، بو و موارد مشابه، قضاوتهای صحیح و قابل تمایزی بنماید. هر چند که تاثیر عوامل روانی و عصبی می تواند منجر به تفاسیر غلطی از آنجه دیده شده است گردد. به عنوان مثال، چنانچه یک خط در مجاور اشکال متفاوتی قرار گیرد ممکن است طول آن بسته به اشکال مجاور قدری بلندتر ( یا کوتاهتر) از مقدار واقعی آن بنظر برسد.

چنانچه سیستم های ماشین بینایی بخواهند بمنظور قضاوت تصمیم گیری مورد استفاده قرار گیرند. می بایستی پارامترهای مشخصی که قابل اندازه گیری هستند. در نظر گرفته شوند. در حالیکه سیستم بینایی انسان می تواند بر اساس عبارات نسبی شبیه عبارت روشن یا تاریک عمل نماید، ماشین بینایی نیازمند به مقادیر دقیق عددی مثل مقدار مشخصی از سطح خاکستری ( Gray Level ) در یک سیستم که دارای تعدادی سطوح عبارتند از المانهای نقطه مانند صفحه ‌ تصویر که تشکیل دهنده تصاویر می باشند.

تصمیم گیری ماشین بینایی بر اساس پارامترهای واقعی یکنواخت تر از بینایی انسان است. هر چند که مقادیر غیر عددی می باشد ساده تر از ماشین بینایی می باشد. یکنواختی عملکرد بینایی انسانی بسیار وابسته به عواملی چون خستگی، عوامل محیطی و شرایط فیزیکی فرد می‌باشد.

331 کیفیت اندازه گیری

یکنواختی نتایج میزان دقت دو عامل مهم در کیفیت اندازه گیری هستند. در کاربردهایی که اندازه گیری بر اساس مقادیر عددی می بایستی انجام گیرد. وضوحاً ماشین بینایی برتر از بینایی انسانی است.

سیستم بینایی انسان قادر به تشخیص ده تا بیست سطح  مختلف بین رنگ سفید و سیاه کامل می باشد و چنانچه این رنگها در کنار هم گذاشته شوند و و بخواهند تشخیص مقایسه ای صورت گیرد.

انسان قادر به تشخیص موارد بسیار بیشتری می باشد. استفاده از ابزارهای کمکی نیز می تواند تعداد سطوح قابل تشخیص را افزایش دهد. کارآیی سیستم بینایی انسان در طول یک دوره زمان بدلیل عوامل چون خستگی، شرایط محیطی، حواس پرتی متغیر می باشد.

توانایی تشخیص تعداد سطوح خاکستری توسط ماشین بینایی مرتبط و محدود به تعداد بیتهای مورد استفاده برای ذخیره عدد بیانگر این سطوح می باشد. یک سیستم چهار بیتی حداکثر دارای 16 سطح خاکستری خواهد بود که این عدد معادل بزرگترین عددی است که توسط یک سیستم چهار بیتی می تواند بیان شود.

برای داشتن 256 سطح خاکستری بایستی حداقل از سیستم هشت بیتی استفاده نمود. سیستمهای 16 و 32 بیتی امکان تشکیل و تشخیص سطوح خاکستری بیشتری را فراهم می کند ولی در حال حاضر چنین سیستمهایی کمتر بکار گرفته شده اند و اکثر خطای تصادفی ناشی ء از خستگی یا اشتباه نیستند و عملکرد آنها در طول دوره کارکرد طولانی یکسان و ثابت است و حساسیت دوربینها برای تولید تصویر با سطوح خاکستری زیاد به اندازه کافی می باشد.