Een QR-code die bij een stilstaand product goed leesbaar is, kan op een bewegende transportband toch problemen geven. Tijdens de beeldopname beweegt het product over een bepaalde afstand. Hierdoor worden details over meerdere pixels uitgesmeerd en ontstaat bewegingsonscherpte. Binnen machine vision wordt deze verplaatsing meestal aangeduid als pixel blur en soms als pixel smear.
Een kortere exposure time vermindert pixel smear, maar de sensor ontvangt daardoor ook minder licht. De juiste instelling hangt daarom samen met de pixelresolutie, bandsnelheid, verlichting, lichtpuls en duty cycle. We rekenen dit uit aan de hand van een QR-code-inspectie op een transportband.
Uitgangspunten van de QR-code-inspectie
QR-code versie 3: 29 × 29 modules;
modulegrootte: 0,9 × 0,9 mm;
bandsnelheid: 7 m/min;
minimaal vier pixels per module;
maximaal toegestane pixel smear: 0,8 pixel;
productsteek: 100 mm;
camera met global shutter.
De QR-code is zonder quiet zone:
29 × 0,9 = 26,1 mm
Met een quiet zone van vier modules rondom wordt de benodigde ruimte:
(29 + 8) × 0,9 = 33,3 mm
Een rolling-shuttercamera is voor deze toepassing niet geschikt. De beeldlijnen worden daarbij na elkaar belicht. Omdat het product ondertussen verder beweegt, kan de QR-code vervormen. Bij een global shutter worden alle pixels gelijktijdig belicht.
Pixelresolutie berekenen
Voor het gebruikte leesalgoritme zijn minimaal vier pixels per QR-module nodig. Bij een modulegrootte van 0,9 mm wordt de objectresolutie:
R = 0,9 mm ÷ 4 pixels = 0,225 mm/pixel
Eén pixel vertegenwoordigt dus maximaal 0,225 mm op het product. Gebruik bij deze berekening altijd de resolutie in de bewegingsrichting. Met deze waarde, het benodigde beeldveld en de beschikbare werkafstand kan de camera-lenscombinatie worden gekozen.
Maximale exposure time berekenen
De hoeveelheid pixel smear wordt berekend met:
Pixel smear = (productsnelheid × exposure time) ÷ objectresolutie
De bandsnelheid van 7 m/min is:
7.000 mm ÷ 60 = 116,7 mm/s
De maximale exposure time volgt uit:
Maximale exposure time = (toegestane pixel smear × objectresolutie) ÷ productsnelheid
Bij maximaal 0,8 pixel smear wordt dit:
(0,8 × 0,225) ÷ 116,7 = 0,001543 s = 1,543 ms
Een praktische instelling is daarom 1,5 ms. De werkelijke pixel smear bedraagt dan:
(116,7 × 0,0015) ÷ 0,225 = 0,78 pixel
Een veel kortere exposure is niet automatisch beter. De sensor ontvangt dan minder licht, waardoor mogelijk een groter diafragma, meer gain of overdriveverlichting nodig wordt zonder dat de extra scherpte voor het leesalgoritme iets toevoegt.
Exposure en verlichting in de praktijk testen
Test de berekende waarde bij voorkeur met de geselecteerde camera, lens, verlichting en het echte product. Neem ook een representatief stuk van de transportband mee als achtergrond.
Gebruik als startinstellingen:
exposure time: 1,5 ms;
global shutter actief;
automatische exposure en gain uit;
gain zo laag mogelijk;
vast diafragma;
definitieve werkafstand en lichthoek.
Controleer vervolgens de scherpte van de moduleovergangen, het contrast, eventuele verzadiging en reflecties van product en transportband.
Invloed van omgevingslicht controleren
Laat alle camera-instellingen ongewijzigd en schakel alleen de machine-visionverlichting uit. Product, QR-code en transportband mogen dan geen bruikbaar contrast meer laten zien. Het beeld hoeft door sensoroffset en ruis niet volledig zwart te zijn.
Wanneer de QR-code zonder de machine-visionverlichting nog zichtbaar is, kan wisselend omgevingslicht de inspectie beïnvloeden. Sluit dan het diafragma verder en herhaal de test met de verlichting ingeschakeld. Mechanische afscherming of een bandpassfilter met een passende golflengte kan een betere oplossing zijn wanneer veel omgevingslicht aanwezig blijft.
Laat de camera de verlichting triggeren
De verlichting moet alleen branden wanneer de camera werkelijk exposeert. Gebruik daarom bij voorkeur deze triggerketen:
Productsensor of PLC → camera → verlichtingscontroller → verlichting
De sensor of PLC triggert de camera. De exposure- of strobe-output van de camera schakelt vervolgens de verlichting. Hierdoor valt de lichtpuls binnen het werkelijke exposurevenster en worden interne cameravertragingen automatisch meegenomen.
Wanneer de PLC de camera en verlichting gelijktijdig aanstuurt, kan de lichtpuls door trigger delay of sensortiming te vroeg of te laat komen. Dat veroorzaakt vooral bij korte exposures wisselende helderheid of donkere beelden.
Als de QR-code bij 1,5 ms voldoende contrast heeft, is overdrive niet nodig. De verlichting kan met de nominale stroom door de camera worden geschakeld. Ze brandt dan alleen tijdens de opname, waardoor de thermische belasting afneemt en de levensduur toeneemt.
Meer informatie over de timingarchitectuur staat in Triggering Cameras in a Machine Vision System.
Wanneer is overdrive strobing nodig?
Als de normale verlichting binnen 1,5 ms onvoldoende licht levert, controleer dan eerst de lichthoek, werkafstand en het diafragma. De exposure verlengen veroorzaakt meer pixel smear en veel cameragain geeft extra beeldruis. Wanneer de lichtreserve daarna nog onvoldoende is, kan overdrive strobing worden toegepast.
Bij overdrive wordt gedurende een korte puls meer dan de nominale stroom door de LED's gestuurd. Gebruik hiervoor alleen een verlichting en controller die daarvoor zijn ontworpen. Controleer de maximaal toegestane piekstroom, pulsduur, duty cycle, triggerfrequentie en afkoeltijd.
De lichtpuls kan korter zijn dan de exposure time. Als de camera 1,5 ms exposeert en de verlichting binnen dit venster 1,0 ms flitst, wordt de effectieve pixel smear bij voldoende onderdrukt omgevingslicht:
(116,7 × 0,001) ÷ 0,225 = 0,52 pixel
De volledige lichtpuls moet binnen het exposurevenster vallen. Trigger delay en de in- en uitschakeltijd van de controller en verlichting moeten hierbij worden meegenomen.
Lees voor de algemene werking ook Triggering and Strobing Machine Vision Lighting.
Productafstand en triggerfrequentie
Voor de duty cycle is naast de bandsnelheid ook de productsteek nodig. Dit is de afstand tussen hetzelfde referentiepunt op twee opeenvolgende producten.
Bij een productsteek van 100 mm is de tijd tussen twee producten:
100 ÷ 116,7 = 0,857 s = 857 ms
De triggerfrequentie is:
1 ÷ 0,857 = 1,167 Hz
Gebruik voor de controle altijd de hoogste bandsnelheid en de kleinste productsteek die in de machine kunnen voorkomen. Houd ook rekening met dubbele triggers of producten die tijdelijk dichter achter elkaar liggen.
Duty cycle en afkoelperiode berekenen
De duty cycle geeft aan welk deel van de tijd de verlichting actief is:
Duty cycle [%] = pulsduur [s] × triggerfrequentie [Hz] × 100
Bij een lichtpuls van 1,5 ms en 1,167 triggers per seconde wordt dit:
0,0015 × 1,167 × 100 = 0,175%
De beschikbare afkoelperiode tussen twee pulsen is:
857 ms − 1,5 ms = 855,5 ms
De verlichting is dus 1,5 ms actief en kan daarna 855,5 ms afkoelen. Zowel de duty cycle als deze afkoelperiode moet binnen de productspecificaties vallen. Bij voorkeur blokkeert de controller triggerpulsen die binnen de minimale lockout-tijd binnenkomen.
Bij een bekende maximale duty cycle kan de theoretische maximale triggerfrequentie worden berekend met:
Maximale triggerfrequentie = maximale duty cycle ÷ pulsduur
Bij 10% maximale duty cycle en een puls van 1,5 ms is dit:
0,10 ÷ 0,0015 = 66,7 Hz
Een lagere maximale triggerfrequentie of langere afkoeltijd uit de datasheet blijft altijd bepalend.
Maximale stroom bij overdrive: ongeveer 3 × Inom
In de praktijk heeft het bij veel machine-visionverlichtingen weinig zin om meer dan ongeveer driemaal de nominale stroom door de LED's te sturen:
Ipeak ≤ ongeveer 3 × Inom
Bij een nominale stroom van 1 A is de praktische bovengrens dus ongeveer 3 A. De lichtopbrengst neemt niet lineair toe met de stroom. Boven circa 3 × Inom levert extra stroom bij veel LED's relatief weinig extra licht op, terwijl de warmteontwikkeling en junction temperature sterk toenemen.
Deze waarde is een praktische richtlijn, geen universele productspecificatie. Het veilige maximum hangt af van het LED-type, de golflengte, pulsduur, duty cycle, koeling en constructie van de verlichting. De limieten van de fabrikant blijven altijd leidend.
Een lage duty cycle betekent bovendien niet dat een willekeurig hoge piekstroom veilig is. De LED's, interne bedrading, connectoren en controller moeten iedere afzonderlijke stroompuls kunnen verwerken.
Kies een strobecontroller met stroombegrenzing
Kies bij een afzonderlijke strobecontroller bij voorkeur een model waarop de maximale uitgangsstroom kan worden begrensd. Zo kan een foutieve software- of receptinstelling de verlichting niet overbelasten.
Sommige controllers herkennen bij het inschakelen de aangesloten verlichting en begrenzen automatisch de stroom, pulsduur of duty cycle. Dit komt vooral voor bij controllers en verlichtingen uit hetzelfde systeem. Controleer in de documentatie of deze beveiliging voor de gekozen combinatie daadwerkelijk aanwezig is.
Bij componenten van verschillende fabrikanten moet de engineer zelf controleren of stroom, spanning, pulsduur, duty cycle, afkoeltijd, triggerniveau, polariteit en aansluitingen correct op elkaar zijn afgestemd.
Van pixel smear naar een betrouwbare beeldopname
Voor deze QR-codeapplicatie bedraagt de objectresolutie 0,225 mm/pixel. Bij 7 m/min en maximaal 0,8 pixel smear komt de maximale exposure time uit op 1,54 ms. Een instelling van 1,5 ms houdt de bewegingsonscherpte binnen de gestelde grens.
Levert de normale verlichting bij deze exposure voldoende contrast, laat de camera de verlichting dan met de nominale stroom triggeren. Overdrive is pas nodig wanneer binnen de toegestane exposure onvoldoende licht beschikbaar is. Controleer dan niet alleen de piekstroom, maar ook de productafstand, triggerfrequentie, duty cycle en afkoelperiode.
Hulp bij exposure- en strobeberekeningen
Moet een camera een bewegend product, label, barcode of QR-code scherp vastleggen? Stuur ons het beeldveld, de cameraresolutie, productsnelheid, minimale detailgrootte, productafstand en gewenste beeldfrequentie. Daarmee kunnen we de benodigde pixelresolutie, exposure time, lichtpuls en geschikte combinatie van camera, lens, verlichting en strobecontroller bepalen.
