Soluzione integrata di Focus Stacking che offre una maggiore profondità di campo per i sistemi AOI
Il focus stacking estende la profondità di campo acquisendo più immagini in posizioni focali diverse e combinando le loro regioni più nitide in un'unica immagine. Se combinati con l'autofocus delle lenti liquide, gli algoritmi di focus stacking consentono l'ispezione rapida e ad alto ingrandimento di microstrutture con altezze superficiali variabili, fornendo un'immagine da 5,1 MP completamente a fuoco in soli 67 ms. Tuttavia, lo sviluppo e l'implementazione di tali soluzioni comporta sfide tecniche significative.
Focus stacking: una tecnica importante per estendere la profondità di campo
Il focus stacking, noto anche come composizione della profondità o composizione della messa a fuoco, cattura più immagini in diverse posizioni focali e fonde le loro regioni più nitide in un'unica immagine completamente a fuoco. È una tecnica preziosa nella visione artificiale ad alto ingrandimento, in particolare nei sistemi AOI per l'ispezione di semiconduttori ed elettronica.
Questi sistemi sono spesso chiamati a riprodurre componenti con significative variazioni di altezza - come parti di PCB, giunti di saldatura, tracce e strutture IC - che possono estendersi da 5 a centinaia di micrometri all'interno di un singolo campo visivo. Queste caratteristiche 3D sono in genere le più critiche da ispezionare, ma anche le più difficili da catturare chiaramente in un singolo fotogramma. Lo stacking della messa a fuoco affronta questa sfida generando immagini a profondità estesa che consentono un'ispezione affidabile e in tempo reale.
Come far funzionare l'impilamento della messa a fuoco in AOI: una soluzione integrata
Sebbene il focus stacking offra un modo interessante per estendere la profondità di campo senza sacrificare la risoluzione, la sua trasformazione in una soluzione AOI pronta per la produzione presenta sfide ingegneristiche significative. Oltre alla qualità dell'immagine, la velocità di ispezione diventa una preoccupazione fondamentale, soprattutto per i sistemi in linea che richiedono tempi di ciclo rapidi. Per gli ingegneri della visione, ogni fase, dalla sincronizzazione dell'hardware all'acquisizione delle immagini, dall'ottimizzazione degli algoritmi all'elaborazione in tempo reale, deve essere attentamente progettata e convalidata per soddisfare i requisiti di precisione e produttività.
Più veloce dello stadio Z meccanico: velocità e semplicità con la lente liquida
Rispetto ai tradizionali meccanismi a Z, autofocus a lente liquida offre evidenti vantaggi in termini di velocità, robustezza e integrazione. La regolazione della messa a fuoco avviene in pochi millisecondi, senza parti meccaniche in movimento, rendendo il sistema più compatto e meno soggetto a usura. Ciò rende l'impilamento della messa a fuoco basato su lenti liquide particolarmente adatto ai sistemi AOI ad alta produttività che richiedono velocità, affidabilità ed efficienza di spazio sulla linea di produzione.
Controllo delle lenti liquide senza schede I/O aggiuntive o programmazione
Per integrare una lente liquida in un sistema AOI, i produttori necessitano in genere di un hardware I/O dedicato e di uno sviluppo software per il controllo della lente e la sincronizzazione della telecamera. Inoltre, il supporto limitato dei linguaggi di programmazione da parte dei produttori di lenti liquide può creare problemi di compatibilità con gli ambienti di sviluppo esistenti.
Basler elimina queste complessità incorporando gli algoritmi di controllo delle lenti liquide direttamente nel firmware della telecamera. Questo approccio elimina la necessità di hardware I/O esterno, di cablaggi aggiuntivi e di sviluppo di software personalizzato. Gli integratori di sistema possono controllare l'obiettivo attraverso i software Basler'. pylon Viewer utilizzando semplici regolazioni dei parametri o controlli a scorrimento.
Focus stacking: un processo ad alta intensità di calcolo a livello di pixel
La pipeline di focus stacking comprende diverse fasi ad alta intensità di calcolo:
Acquisizione di immagini multi-frame: Acquisizione di 5-20 immagini a diverse profondità di messa a fuoco
Misura della messa a fuoco: Punteggio della nitidezza per pixel tra i livelli utilizzando algoritmi come la laplaciana o la varianza del gradiente.
Generazione della mappa di messa a fuoco: creazione di una mappa che mostra il livello più nitido in ogni pixel.
Composizione dell'immagine: Unire le regioni più nitide attenuando le transizioni
Impilamento in tempo reale: 67 ms per pila, zero carico della CPU
Gli algoritmi di messa a fuoco richiedono spesso settimane o mesi per essere ottimizzati in modo da ottenere prestazioni affidabili sul PC, ma l'elaborazione a livello di pixel di oltre 10 immagini consuma comunque notevoli risorse e tempo della CPU.
Con l'implementazione FPGA di Basler, un'immagine completamente a fuoco da 10 acquisizioni (5,1 MP, 212 fps) viene generata in soli 67 ms, soddisfacendo i requisiti di produzione AOI in tempo reale.
Al contrario, l'esecuzione di una configurazione simile su una CPU richiede più di un secondo per immagine, troppo lento per l'uso in linea.
Product highlight: FPGA as a co-processor with VA for accelerated development
Basler’s solution leverages an FPGA as a co-processor on a programmable frame grabber, delivering real-time, pixel-level image pre-processing while keeping host CPU overhead to a minimum.
With VisualApplets, our graphical FPGA programming tool, we support AOI system makers by allowing them to quickly prototype and deploy focus stacking algorithms—no HDL coding required.
This setup allows:
Real-time pixel-level processing performance
Minimal CPU overhead
Seamless integration with Basler cameras and liquid lens control
Shorter development cycles through modular, reusable IP blocks
Gli algoritmi di messa a fuoco sono basati sulla messa a fuoco passiva dell'asse Z, il che li rende più flessibili ed economici. In un progetto con requisiti di precisione molto stretti, abbiamo consegnato un concetto funzionante in una sola settimana utilizzando VisualApplets. Per una maggiore precisione, possiamo scalare l'algoritmo con un'elaborazione più avanzata.
Accelerare lo sviluppo di sistemi AOI con soluzioni integrate
Gli sviluppatori di sistemi AOI si trovano spesso a dover rispettare tempi stretti e a gestire hardware diversi e integrazioni complesse. Il modulo di visione Basler per l'impilamento della messa a fuoco è stato progettato per alleggerire questo onere, semplificando l'intero flusso di lavoro di imaging per l'integrazione dei sistemi AOI.
Integrando gli algoritmi di controllo dell'obiettivo e di messa a fuoco direttamente nelle FPGA dell'hardware di visione, la nostra soluzione riduce lo sforzo di sviluppo, accelera il time-to-market e garantisce prestazioni affidabili in linea.
Vantaggi principali:
Riduzione dell'overhead della CPU, anche per attività ad alta intensità di calcolo come l'impilamento della messa a fuoco, eseguite interamente su hardware FPGA dedicato.
Integrazione semplificata con cablaggio I/O ridotto, nessun modulo di controllo esterno e nessuno sviluppo intensivo di algoritmi di imaging.
Time to market più rapido, grazie all'accelerazione dei cicli di sviluppo e alla riduzione dei colli di bottiglia a livello di sistema.
