Na pár dní jsem měl od společnosti Turck zapůjčené na vyzkoušení zajímavé zařízení. Šlo o kamerový snímač Turck řady iVu, u mě konkrétně typ GNR12. Ten byl speciálně navržen a uzpůsoben pro průmyslovou detekci, rozpoznání a kontrolu produktů a výrobků v aplikacích, kde selhávají jiné běžnější snímače jako jsou ultrazvukové, indukční či kapacitní. Jak si může přečíst níže, byl jsem výsledky a schopnostmi této "kamerky" velmi překvapen a opravdu mohu potvrdit, že obecně použití současných moderních kamerových snímačů, jak se jim oficiálně říká, je velmi široké.

Narozdíl od jiných průmyslových snímačů totiž dokáže na každém výrobku během učení nalézt a následně porovnávat mnoho různých "charakteristických rysů" současně a neomezuje se tím jen čistě na jednu vlastnost, jako například tvar, barva, lesk, průhlednost, rozpoznávací značka apod. Proto dokáže mezi sebou rozpoznávat i jinak dost vzájemně podobné předměty, či naopak jinak dost lišící se objekty zařadit do jedné skupiny podle jednoho jejich společného znaku (třeba vytištěného loga či grafické značky) nezávisle na jejich rozměrech, barvě, hmotnosti či tvaru.

Popis snímače Turck iVu GNR12

Obecné informace a "suchá data" jste si mohli již přečíst dříve na stránkách serveru automatizace.HW.cz v článku "Turck iVu = kamerový snímač i čtečka čár. kódů v jednom". Proto tuto seznamovací pasáž přeskočím a přímo se vrhneme na realitu.

Provedení snímače

Pokud kamerový snímač Turck iVu vezmete poprvé do ruky, může Vás překvapit jeho kompaktní provedení. Jeho pouzdro není nijak standardní. Není ani válcové, ani kvádrové či krychlové, ale popsal bych ho jedním slovem jako "oblázek". Díky tomu, že nemá žádné hrany a vše je zaoblené, vypadá dost odolné proti poškození vlivem nárazů. Pouzdro celkových rozměrů 51,5 x 81,2 x 95,3 mm je sice z černého plastu, ale působí na pohmat i po detailním prozkoumání velmi masivně a odolně. Až mimo dva nerezové připojovací 12- a 8-pinové eurokonektory jinak nic nevyčnívá, co by bylo možné nějakou nevhodnou manipulací urazit či poškodit. A to každý technik pohybující se v oblasti průmyslu ocení. I na vrchu pouzdra vyčnívající dvě indikační LED diody jsou "zapouzdřené" do průsvitných odolných kopulí. Celkově proto také snímač poskytuje krytí IP67, takže prach ani stříkající tlaková voda nemá šanci, což umožňuje přímé nasazení i do v tomto směru velmi náročném potravinářském průmyslu, kde se zvláště v některých jeho odvětvích neustále stroje čistí či jsou vystaveny působení různých látek.

Zapůjčený kamerový snímač Turck iVu byl již také doplněn nerezovým držákem pro upevnění na stojan. Držák lze při nákupu snímače přiobjednat jako doplněk.

Jedna z nejdůležitějších, ale také nejnáchylnějších částí každé kamery, tedy objektiv, je zde sice jakoby vystrčen ze základního pouzdra dopředu, podobně jako třeba u běžných fotoaparátů (mimochodem z dálky tak i vypadá), ale fakticky je pořád součástí pevného pouzdra a i zepředu chráněn pevnou masivní průhlednou plastovou krytkou. To však není jen krytka, ale zároveň složí jak první čočka objektivu a jejím otáčením se provádí ruční zaostřování na požadované místo snímání. Podle požadavku pak výrobce dodává její provedení pro ohniskovou vzdálenost kamery 4,3 / 6 / 8 / 12 / 16 / 25 mm, čímž se definuje snímací záběr obrazu v rozsahu 0 – 300 mm x 20 – 100 mm. Proto se během transportu či nevyužívání kamerky přes objektiv nasazuje měkká žlutá gumová ochranná "čepička", která mimochodem pak na objektivu velmi dobře drží. Pod touto první plastovou čočkou se pak nachází samotný objektiv spolu s interním LED zdrojem světla pro základní nasvícení snímané oblasti. Správné nasvícení kontrolovaných a porovnávaných objektů je podobně jako u fotografování zde jedním z hlavních požadavků pro správnou a spolehlivou funkci. Zbývá už jen doplnit, že za objektivem se dle údajů výrobce ukrývá 1/3 palcový CMOS obrazový senzor s rozlišením 752 x 480 pixelů.

Kamerový snímač Turck iVu s a bez krytky objektivu. Aby při připojování kabelů na výstupy nemohlo dojít k záměně výstupních konektorů je jeden (ten 12pinový) v provedení samec, zatímco druhý (8pinový s USB výstupem) je typ samice.

Na zadní straně snímače se pak zapuštěný a pod průhlednou plastovou krytkou nachází sice malý, ale dost kvalitní barevný dotykový 2,7" TFT LCD displej, který by mu mohlo závidět i velké množství aktuální spotřební elektroniky. Osobně můžu říct, že hlavně dotyková plocha funguje na výbornou a zatímco obvykle u jiných zařízení a strojů s ní obvykle trošku zápasím, zde jsem byl její okamžitou přesnou reakcí a nízkou dotykovou silou na plochu doslova nadšený. Takže i přes malé zobrazené posuvníky a ikony v menu způsobené právě malou úhlopříčkou displeje, mi v praxi ovládání nečinilo žádné problémy (zvláště pokud jsem normálně použil s kamerou dodávané plastové stilo).

Displej snímače má plastovou krytku, která má chránit displej před poškozením v době, kdy není využíván (zasunutá krytka displeje drží opravdu výborně až je ji někdy problém rukou vyjmou).

Samotný displej pak má dostatečné rozlišení (320 x 240 pixelů) na to, aby dokázal dostatečně detailně zobrazit snímané předměty a bez problémů na ně snímač nastavit. Protože snímač má dotykovou plochu, neobsahuje dále žádná další tlačítka. Vše se ovládá přes displej a položky vyvolaného menu. Displejová část tedy sice již není žádný hightec, ale s ohledem na zaměření kamerového snímače plně dostačuje. Navíc pro náročnější průmyslové provozy lze zakoupit i provedení bez displeje a ten mít zvlášť v podobě oddělené "krabičky", která se k snímači připojí přes zmíněný eurokonektor pro potřebu změny nastavení.

Kamerový snímače s oběma připojenými konektory (žlutý kabel slouží pro napájení, přivedení binárních vstupů a spínaných výstupů a černý je redukce na USB).

Tento základní a nejlevnější typ kamerového snímače v nabídce Turcku totiž nejde ovládat a nastavit přímo přes nějaký software z PC, což možná v dnešní době je již trošku "stinná stránka" jinak povedené konstrukce, protože notebooky jsou ve výbavě techniků již stále běžnější. Na druhou stranu to do jisté míry trošku nahrazuje možnost připojení běžné USB Flashky na 8pinový eurokonektor přes dodávaný redukční kablík a uložení či zpětné nahrání nastavení celého snímače nebo LOG záznamů o provozu snímače.

Přes dodávaný redukční USB kabel lze ze snímače uložit nastavení na běžnou USB Flash paměť a následně je zase nahrát zpět či do jiného dalšího snímače.

Ovládání a možnosti snímače

Základní nastavení a ovládání snímače se provádí prostřednictvím základní ikonové nabídky. Ta se vyvolá po klepnutí na ikonu klíče v levém dolním rohu základní obrazovky. Na ní se pak zároveň v reálném čase zobrazuje obraz z objektivu, ikony "+", "-" digitálního zoomu a dále mimo jiné zelená "fajfka" či červený křížek značící, že byla nalezena shoda aktuálně snímaného předmětu z uloženými (naučenými) parametry v paměti. Vedle této značky lze přes ikonu s tečkou mimo jiné zobrazit aktuální provozní stavy a informace snímače.

Hlavní menu a celkově vůbec ovládání kamerového snímače je vcelku dost jednoduché a intuitivní natolik, že po několikaminutovém sledování obchodního zástupce jsem následně byl schopen bez problémů a bez jakéhokoliv listování v manuálu zařízení zcela ovládat a nastavit. Zvláště pokud máte lepší zkušenosti z fotoaparáty typu zrcadlovka či nějakými lepšími kamerami a tím rozumíte většině výrazů v menu. V jazykovém nastavení však bohužel chybí možnost volby češtiny, což mě osobně vůbec nevadilo, ale z praxe vím, že v průmyslových provozech většiny společností to je vždy dost velký problém, když nějaké zařízení "nemluví" česky.

Pokud se ze základní obrazovky ťukne vlevo dole na ikonu klíče, zobrazí se menu kamerového snímače.

Na hlavním menu (Main Menu) se pak nacházejí jen 4 základní ikony (Inspection, Imager, Logs, System) umožňující se dostat do nastavení a učení rozpoznávání předmětů (tedy naladění funkce snímače), nastavení, zobrazení a doladění parametrů kamery a obrazového snímače, zobrazení LOG záznamu a nakonec pro nastavení parametrů snímače týkající se definování základního běhu, přiřazení a nastavení dvou spínaných tranzistorových výstupů, zmíněného načtení a uložení parametrů na USB Flash, nastavení jazyka apod.

Ukázka menu nastavení objektivu a snímání obrazu a systémového menu pro nastavení ostatní různých parametrů snímače.

Nebudu zde zabíhat do podrobností, ale pro praktické nastavení rozpoznávání je nejdříve nutné v systémovém menu (System) zvolit typ základního režimu (Sensor Type):

• porovnávání jasu / kontrastu obrazu předmětů v zadané oblasti (režim Area),
• porovnávání délky kontur / hran předmětů (režim Blemish),
• porovnávání shodných znaků předmětů / textu / loga (režim Match),

a následně pak v menu "Inspection" se již dle zvoleného základního režimu objeví příslušné položky pro naučení snímače a definici, co se má obrazu objektů hledat, porovnávat a vyhodnocovat.

Nastavení rozpoznávacího režimu snímače (Sensor Type) v systémovém menu (System).

Všem režimům je pak společná možnost volby velikosti a tvaru oblasti na obrazu, ve kterém se musí předmět nacházet, aby byl vyhodnocován. K dispozici jsou tvary obdélník/čtverec, kruh a elipsa, přičemž velikost či natočení této oblasti může být libovolné (např. velikost od miniaturní plošky až po celou plochu snímaného obrazu).

V menu "Inspection" je možné si zvolit tvar a velikost oblasti obrazu, která se bude poté vyhodnocovat (zbylá část obrazu se nebude při detekci využívat).

Tím lze ručně snímači vymezit oblast, na kterou se má zaměřit a zbytečně se vyhnout nějakým nežádoucím okolním vlivům (objektům), které by mohly proces rozpoznání komplikovat. V tomto prostoru pak snímač si sám automaticky předmět najde, takže nemusí být pokaždé přesně na stejném místě, ale se nacházet ve zvolené oblasti. Pak již podle zvoleného základního režimu se buď nastavují úrovně jasu / kontrastu, délky hran / kontur či procentu shodnosti s referenčním uloženým obrazem (pomocí tlačítka Teach-in), při kterém má ještě snímač objekt vyhodnotit jako stejný (tedy zobrazit symbol zelené fajfky a překlopit spínaný výstup) či jako jiný (zobrazit červený křížek).

Takto lze, dle mého hraní s kamerou, snadno kontrolovat a roztřídit předkládané předměty podle tvaru, natištěného či vyrytého textu, loga, nějakého ornamentu, barvy a odrazu (jasu obrazu) různých částí předmětu, natočení, umístění (pozice), počtu menších prvků ve větším celku, počtu záhybů (drážek, kontur) apod.

Nastavení parametrů porovnávání předmětů: procentuální shodu při hledání společných znaků, rozsah délky kontur (hran) nebo rozsah intezity odraženého světla (kontrastu).

Hezká ukázka je například rozpoznání čísla na klasické hrací kostce či kombinace na více hracích kostkách, kdy například naučíte a nastavíte snímač na rozpoznání čísla 6 a snímač opravdu umí bez problémů ho rozpoznat od ostatních čísel. Ve všech nastaveních pak lze použít přímý i inverzí režim, tzn. že je možné pozitivně detekovat jako shodnost, tak neshodnost. To se hodí například po případ, že potřebuje identifikovat předmět od ostatních tím, že nemá ani jeden společný znak, tedy například, že zároveň nemá logo a má i jiný tvar, přičemž produkty s logem či produkty bez loga, ale správných tvarů jsou shodně vyhodnoceny jako dobré.

Nastavení detekce čísla na kostce pomocé měření délky kontur, ale lze použít i režim porovnávání shodných znaků.

Praktický test funkce

Sice jsem měl na "hraní" jen dost málo času, ale přesto jsem si stihl vyzkoušel již zmíněným test s rozpoznáváním čísla na kostce a pak i zkoušky rozlišení černé plastové krytky objektivu mého fotoaparátu Olympus od žluté plastové krytky objektivu snímače. V případě zkoušek s hrací kostkou jsem úspěšně využil jako režim porovnávání shodných znaků, tak i porovnávání délky kontur. V případě detekce krytek objektivů pak díky rozdílné barvě bylo možné navíc úspěšně použít i režim porovnávání kontrastu / jasu obrazu předmětů.

U hracích kostek sice fungovaly oba uvedené režimy, ale nakonec jako spolehlivější a méně náchylný na chybu se jevil režim rozpoznávání společných znaků. Režim kontur / hran byl náchylnější na chybování při odlišném umístění kostky vzhledem k objektivu z důvodu různých odlesků dopadajícího světla nasvícení a tím i občasné ztráty viditelnosti některých kontur bodů čísla. K tomu musím doplnit, že ve všech testech bylo používáno jen integrované přisvícení kamery a v praxi lze případným vhodným externím nasvícením podmínky detekce a vyhodnocení výrazně ovlivnit.

Mimochodem velkou výhodou tohoto snímače je automatický režim prohledávání zadaného prostoru, takže kostka nemusí být vždy ve stejném místě, ale stačí ji jen umístit do vyhodnocovaného prostoru obrazu a snímač si ji již najde.

Při správném nastavení je pozitivně detekována na kostce pouze číslice 6 a ostatní nedetekovány. V případě potřeby by však šlo i nastavit například detekci nejen čísla 6, ale i čísla 5.

V případě detekce různých krytek, pak nemuselo být nastavení ani příliš důsledné, aby si kamerka s rozpoznáním hravě poradila a ani moc nezáviselo na typu zvolené základní metody porovnávání. V případě režimu porovnávání společných znaků rozhodoval nápis Olympus, v případě režimu porovnání délky kontur rozhodoval složitě tvarovaný (konturovaný) povrch krytky Olympus proti hladkému povrchu krytky Turck a u porovnávání kontrastů obrazů bylo rozdíl černá vs. žlutá jasně patrný.

Režim porovnávání společných znaků obrazu - při pozitivním detekci (předmět rozpoznán) se na displeji v levém horním rohu objeví zelená fajfka, při negativní detekci (předmět nerozpoznán) se zobrazí červený křížek. Zároveň se podle nastavení přepnou i dva spínané výstupy snímače.

Závěrem...

Na závěr musí také uvést, že kamerový snímač byl při testech od předmětů vzdálen většinou cca 20 cm, ale stejně dobře by rozpoznání pracovalo v rozsahu vzdáleností cca od 15 do 30 cm. Navíc to, že rozpoznání krytek i čísla na kostce šlo provést stále jedním stejným snímačem, byť při odlišném nastavení, dobře dokládá univerzálnost tohoto systému snímání. Nenapadá mě jiný snímače, který by takto dvě rozdílné aplikace dokázal.

Samozřejmě to je vykoupeno cenou okolo 20 tisíc Kč (dle provedení snímače), takže samozřejmě nikdo jej nepoužije pro triviální detekci přítomnosti předmětu, kterou lze řešit klasickou optozávorou či periodické detekce stejné značky, kterou lze řešit jednoduchým optickým, indukčním či kapacitním čidlem. Ale pro složitější aplikace, jakými jsou například hlídání správné pozice zátky na lahvi, zvláště pokud nejsou lahve stejně vysoké, již tento snímač smysl má. Nehledě například na aplikace kontroly úplnosti bonboniéry nebo teď aktuální vánoční kolekce či kartónu nápojů, které by sice případně šlo řešit maticí x jednoduchých snímačů (optické, ultrazvukové či indukční), ale pak již cena není příliš rozdílná a navíc při změně výšky krabice či lahví je obvykle nutné doseřídit mechanicky pozici snímače, zatímco u kamerového snímače v nejhorším případě spustíte jen znova funkci učení (zde popisované iVu má možnost uložení jen jednoho referenčního obrazu).

Obecný závěr k použití kamerových snímačů by mohl být následující: "Nevíš, jaký snímač pro danou aplikaci detekce použít? Zkus to s kamerovým snímačem".

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky českého zastoupení společnosti Turck (Banner) - www.turck.cz
• Český katalogový list provedení iVu Vision - edb_3081941_ces_cz.pdf
• Článek "Turck iVu = kamerový snímač i čtečka čár. kódů v jednom" na serveru automatizace.HW.cz
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz