Makine Gör ve Görüntü İşleme

Konu Anlatımı

Makine Gör ve Görüntü İşleme

Makine görü, ışığı sayısal bir piksel dizisine dönüştürerek nesneleri ölçmeyi, sınıflandırmayı ve kalite kontrolünü bilgisayar yazılımıyla gerçekleştiren bir denetim yöntemidir. İnsan gözü yorgunluk, dikkat dağınıklığı ve değişken aydınlatma nedeniyle tutarsız olabilirken; kamera tabanlı sistem aynı ölçümü her vardiyada aynı kurallarla tekrarlar.

Kamera, Sensör ve Objektif

Endüstriyel kameranın temel parametreleri çözünürlük, kare hızı, pozlama süresi ve dinamik aralıktır. Çözünürlük tek başına yeterli değildir; önemli olan, ölçülmesi gereken en küçük özelliğin kaç piksel kapladığıdır. Kare hızı ise hareketli hatlarda belirleyicidir; konveyör hızlıysa nesne poz boyunca yer değiştirir ve görüntü bulanıklaşır.

Objektif seçimi görüş alanını belirler. Görüş alanı, sensör genişliği ile büyütme oranının birbirine bölünmesiyle bulunur. Büyütme, objektif odak uzaklığının sensör odak uzaklığına oranıdır. Uzun odaklı objektif küçük alanı büyük gösterir, kısa odaklı objektif ise geniş bir alanı küçük gösterir.

Aydınlatma ve Görüntü Kalitesi

Yeterli ışık olmadan kamera görüntüyü oluşturamaz; ancak ışığın yönü ve rengi sonucu doğrudan etkiler. Önden gelen düz ışık yansıma ve gölge oluşturur. Çapraz ya da kenar aydınlatması ise hatalı biçimleri gölgede bırakarak kusur tespitini kolaylaştırır. Kontrast, en parlak ile en karanlık değer arasındaki farkın toplamlarına oranıdır; kontrast düştükçe eşikleme kararsızlaşır.

• Nesnenin arka planından ayrılması için düzgün ve gölgesiz bir aydınlatma kurulur.
• Yüksek hızlı hatlarda kısa poz süresi, güçlü aydınlatmayla birlikte kullanılır.
• Renkli ayrım gerekiyorsa monokrom yerine renkli sensör ve filtre seçilir.

Görüntü İşleme Adımları

Görüntü işleme tipik olarak bir dizi adımdan oluşur. Önce gürültü azaltma, ardından renk veya parlaklık düzeltmesi yapılır. Sonra eşikleme ile görüntü ikili hâle getirilir; kenar bulma ve bölütleme ile nesne sınırları çıkarılır. Son aşamada boyut, konum ve biçim ölçümleri yapılarak karar verilir.

Eşik değeri doğru seçilmezse üretim sırasında kaymalar yanlış sınıflandırmaya yol açar. Bu nedenle eşik, görüntünün gri seviyesi dağılımından hesaplanabilir ya da ürün grubuna göre elle belirlenip saklanır. Eşik değeri değiştirildiğinde hangi ürün grubu için değiştiği mutlaka kayda geçirilmelidir.

Üretim Adedi ve Darboğaz Planlaması

Kamera kapasitesi ile hat kapasitesi birlikte planlanmalıdır. Kamera kapasitesi, kare hızının parça başına harcanan kare sayısına bölünmesiyle bulunur. Bu değer hat hızından düşükse hatta duraksama yaratacak bir darboğaz oluşur. Bu nedenle kamera seçimi yapılırken nesne boyutu, inceleme karesi ve hat hızı birlikte değerlendirilmelidir.

Ölçüm hatası da planlama konusudur. Kabul edilebilir en küçük ölçüm hatası, bir piksellik ölçünün karşılığı belirlenerek saptanır. Bu değer, müşteri toleransından ve ürün riskinden küçük olmalıdır. Aksi hâlde görüntü temiz olsa bile karar yanlış olur.

Uygulama ve Bakım

Makine görü sistemleri toz, titreşim, sıcaklık değişimi ve lens kirliliğine duyarlıdır. Lens yüzeyi düzenli temizlenmeli, kamera titreşimsiz bir gövdeye monte edilmelidir. Üretim değiştiğinde kamera konumu ve tetikleme noktası yeniden doğrulanmalıdır. Ayrıca hangi hatanın hangi ölçütle saptandığını gösteren bir kontrol planı bulundurulmalıdır.

Ne Öğreneceğiz

Kamera, objektif ve görüntü işleme algoritmalarıyla üretim hatlarında nesne algılama, ölçüm ve kalite kontrolünün kurulmasını kapsayan ileri düzey bir konudur. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Endüstriyel kameranın çözünürlük, kare hızı ve pozlama parametrelerini açıklar.
• Görüş alanı ile büyütme oranını hesaplayarak objektif seçimini gerekçelendirir.
• Eşikleme, kenar bulma ve bölütleme temel görüntü işleme adımlarını uygular.
• Nesne boyutunu piksel cinsinden ölçerek ölçüm hatasını hesaplar.
• Kontrast, eşik değeri ve aydınlatma ilişkisini yorumlayarak görüntü kalitesini artırır.
• Hat hızı, kamera kapasitesi ve üretim adedini birlikte planlayarak darboğazı belirler.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Çözünürlük tek başına yeterli değildir; ölçülecek en küçük özelliğin piksel karşılığı ölçüm hatasını belirler.
• Kare hızı, hat hızına yetişilip yetişilemeyeceğini belirler ve hareketli hatlarda darboğaz yaratabilir.
• Poz süresi kıaldıkça aydınlatma gereksinimi artar, uzadıkça hareket bulanıklığı belirginleşir.
• Eşik değeri üretim sırasında kayarsa yanlış sınıflandırma sayısı hızla artar.
• Objektif odak uzaklığını değiştirmek görüş alanını değiştirir; aynı mesafede yakınlaştırmak nesne boyutunu büyütür.
• Aydınlatma yönü, nesnenin kenar ve yüzey bilgisinin görünürlüğünü doğrudan belirler.
• Kamera ile tetikleyici arasındaki zamanlama hatası, hat hızı yükseldikçe belirgin kaymalara yol açar.
• Kontrol planı, hangi hatanın hangi ölçütle saptandığını yazılı olarak tanımlar.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: Sensör genişliği 8 mm olan bir endüstriyel kameraya 25 mm odaklı bir objektif takılmıştır. Görüş alanı ve büyütme oranı nedir?

1. Büyütme oranı objektif odak uzaklığının sensör odak uzaklığına bölünmesiyle bulunur.
2. Görüş alanı, sensör genişliğinin büyütme oranına bölünmesiyle hesaplanır.
3. Sonuç, görüntünün kaç milimetre genişlikte olduğunu gösterir.

Sonuç/cevap: Büyütme 25 / 8 = 3,125; görüş alanı 8 / 3,125 = 320 mm olarak bulunur.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir sistemde 3 mm çapındaki parça görüntüde 250 piksel genişlikte görünmektedir. En küçük 2 piksellik ölçüm hatası kaç mm'dir?

1. Bir pikselin karşılığı gelen ölçü hesaplanır.
2. Kabul edilen en küçük hata piksel sayısı bu değerle çarpılır.
3. Sonuç toleransla karşılaştırılır.

Sonuç/cevap: Piksel ölçüsü 3 / 250 = 0,012 mm; 2 piksellik hata 0,024 mm olarak hesaplanır.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Görüş alanının hesaplanması konusunun adımları:

1. Büyütme oranı objektif odak uzaklığının sensör odak uzaklığına bölünmesiyle bulunur.
2. Görüş alanı, sensör genişliğinin büyütme oranına bölünmesiyle hesaplanır.
3. Sonuç, görüntünün kaç milimetre genişlikte olduğunu gösterir.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

Piksel sayısını doğrudan milimetre olarak kullanmak: Çözünürlük boyutsuzdur; önce pikselin karşılığı gelen mesafeye çevrilmelidir.

Kare hızı ile nesne başına gecikmeyi karıştırmak: Kare hızı saniyedeki görüntü sayısıdır; tetikleme aralığı ise ayrı bir zamanlama değeridir.

Aydınlatmayı değiştirmeden eşiği kaydırmak: Eşik kaydırmak yalnızca kâğıt üstünde işe yarar; gerçek çözüm aydınlatma ve kontrasttır.

Objektif odak uzaklığını sensör genişliğiyle doğrudan karşılaştırmak: İki değer farklı fiziksel büyüklüklerdir; önce büyütme oranı kurulmalıdır.

Üretim adedini kamera kapasitesinden fazla planlamak: Kamera kapasitesi hat hızının gerektirdiği incelemeyi karşılayamazsa hatta duraksama oluşur.

Tek kare üzerinden kesin karar vermek: Gürültü ve titreşim nedeniyle tek kare yanlış sınıflandırma riskini belirgin biçimde artırır.

Özet

Makine görü, ışığı sayısal piksel dizisine dönüştürerek nesne ölçümü ve sınıflandırma yapar. Görüş alanı, sensör genişliğinin büyütme oranına bölünmesiyle bulunur; 8 mm sensör ve 25 mm objektifte büyütme 3,125, görüş alanı 320 mm olur. Piksel boyutu, sensör genişliğinin yatay piksel sayısına bölünmesiyle elde edilir; 8 mm ve 1280 pikselde piksel boyutu 0,00625 mm, 12 mm'lik parça 1920 piksel kaplar. Kare hızı poz süresinin tersidir; 20 ms poz süresi 50 fps verir, parça başına 3 kare incelemede kapasite 16 parça/s olur. Veri hacmi genişlik × yükseklik × bit derinliği × kare hızı ile bulunur; 640 × 480, 8 bit ve 25 fps akışta 7,68 MB/s olur. Kontrast (200 − 40) / (200 + 40) ile ölçülür ve %67 çıkar. Hat kapasitesi ise 60 × hız / adım aralığı bağıntısıyla 48 parça/dakika olarak hesaplanır.

Kendini Dene

Soru: Üretim hattında ölçülecek en küçük özellik belirlenmiştir. Bu özelliğin piksel cinsinden karşılığını, kamera çözünürlüğünü ve objektif seçimini nasıl gerekçelendirirsiniz? Hesap adımlarını yazınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Kabul edilebilir en küçük ölçüm hatasının belirlenmesi 3 puan; piksel boyutunun sensör genişliği ve piksel sayısıyla hesaplanması 3 puan; nesne ölçüsünün piksel karşılığının bulunması 3 puan; görüş alanı ve büyütme oranının objektif seçimine bağlanması 4 puan; seçimin gerekçeli anlatılması 2 puan. Örnek cevap: Kabul edilen hata 0,02 mm ise piksel boyutu bu değere eşit olmalıdır. Sensör genişliği 8 mm ve 1280 pikselde piksel boyutu 0,00625 mm bulunur, böylece 0,02 mm hata üç piksele karşılık gelir. 12 mm'lik parça 1920 piksel kapladığından görüş alanı en az 60 mm olmalı ve buna uygun odaklı objektif seçilir.