La Lettura di Codici a Barre e Datamatrix su parti in movimento è uno dei problemi di Illuminamento più impegnativi nella Visione Artificiale industriale. Il problema fondamentale è l’offuscamento da movimento: quando un codice a barre si muove durante l’esposizione della telecamera, l’immagine delle barre e degli spazi del codice a barre viene spalmata nella direzione del movimento. La sfocatura riduce il contrasto dei bordi tra le barre e gli spazi. Al di sotto di un livello critico di contrasto, il decodificatore di codici a barre non riesce a leggere il simbolo. Il risultato è una lettura mancata, che blocca la produzione o obbliga al recupero manuale.
La soluzione è congelare il movimento otticamente, non meccanicamente. Riducendo il tempo di esposizione della fotocamera al punto in cui il codice a barre si muove meno di una piccola frazione della larghezza di una barra durante l’esposizione, si elimina la sfocatura visibile del movimento. Per un codice a barre che si muove alla velocità tipica di un nastro trasportatore e con una larghezza di barre tipica, questo richiede tempi di esposizione compresi tra 50 e 500 microsecondi. A queste brevi esposizioni, l’Illuminatore deve fornire un numero sufficiente di fotoni al Sensore nel tempo disponibile. Gli illuminatori standard a modalità continua non possono fornire un’intensità adeguata per esposizioni così brevi. L’Illuminazione Stroboscopica ad impulsi è la soluzione ingegneristica.
La fisica della sfocatura del movimento nella Lettura di Codici a Barre
La sfocatura del movimento è direttamente proporzionale al prodotto della velocità dell’oggetto e della durata dell’esposizione. Un codice a barre che si muove a 1 m/s con un tempo di esposizione di 1 ms si sposta di 1 mm durante l’esposizione. Se la larghezza della barra più stretta del simbolo del codice a barre è di 0,5 mm, il codice a barre si è spostato di due barre durante l’esposizione. Questo produce una grave sbavatura e garantisce un fallimento della lettura.
Il limite di sfocatura accettabile per la lettura dei codici a barre è in genere definito come una frazione della larghezza minima della barra, nota come dimensione X. Gli standard di qualità dei codici a barre ISO definiscono i requisiti di contrasto dei bordi delle barre che devono essere soddisfatti affinché un simbolo raggiunga un determinato grado di qualità. La sfocatura riduce il contrasto del bordo della barra in proporzione al rapporto tra la distanza della sfocatura e la larghezza della barra. Per una lettura affidabile, la sfocatura del movimento deve essere mantenuta al di sotto del 10%-20% della dimensione X.
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Calcolo del Tempo di Esposizione richiesto
Il tempo di esposizione richiesto viene calcolato in base alla velocità dell’oggetto, alla dimensione X del codice a barre e alla frazione di sfocatura consentita. Per un codice a barre con una dimensione X di 0,33 mm che si muove a 0,5 m/s, la sfocatura consentita va da 0,033 a 0,066 mm (10-20% della dimensione X). Il tempo di esposizione richiesto è di 0,033 mm diviso per 500 mm/s, pari a un massimo di 66 microsecondi. Per un codice a barre su un nastro Trasportatore ad Alta Velocità che viaggia a 2 m/s con la stessa dimensione X, il tempo di esposizione richiesto scende a 16 microsecondi.
Questi tempi di esposizione sono ben al di sotto delle capacità delle moderne telecamere per la visione artificiale con sensori a otturatore globale. La sfida sta tutta nell’illuminazione: fornire luce sufficiente per un’esposizione corretta in 16-66 microsecondi richiede intensità di illuminazione da uno a due ordini di grandezza superiori a quelle fornite dagli Illuminatori LED standard a modalità continua.
Illuminazione Stroboscopica: Come l’intensità di picco compensa la breve esposizione
Gli Illuminatori LED possono funzionare in due modalità fondamentalmente diverse: modalità continua e modalità stroboscopica. In modalità continua, i LED vengono pilotati a corrente costante e l’Illuminatore produce un’uscita costante e continua. La corrente massima continua è stabilita dalla capacità termica dell’illuminatore e del suo dissipatore. Il superamento di questa corrente provoca l’aumento della temperatura della giunzione del LED a livelli che degradano in modo permanente le prestazioni del LED.
In modalità stroboscopica, i LED vengono pilotati con una corrente di picco molto più elevata per una durata molto breve, quindi vengono spenti per consentire alla giunzione di raffreddarsi prima dell’impulso successivo. Il picco di uscita ottica durante l’impulso è proporzionale al picco di corrente di pilotaggio e può essere molte volte superiore all’uscita in modalità continua. Il Ciclo di Lavoro, ovvero la frazione di tempo in cui l’illuminatore è acceso, determina la dissipazione media di energia negli Illuminatori LED. Con un ciclo di lavoro basso, compreso tra l’1% e il 5%, la corrente di picco può essere da 10 a 50 volte la corrente continua senza superare il valore termico medio.
Durata dell’impulso e sincronizzazione
L’impulso stroboscopico deve essere sincronizzato con l’esposizione della fotocamera. L’approccio standard consiste nell’utilizzare l’uscita di trigger della fotocamera per avviare l’impulso stroboscopico. La durata dell’impulso viene impostata in modo che corrisponda al tempo di esposizione della fotocamera. L’Illuminatore deve rispondere rapidamente al segnale di attivazione: il tempo di salita dall’ingresso del trigger all’uscita ottica completa deve essere più breve del tempo di esposizione. Per esposizioni di 50 microsecondi, il tempo di salita deve essere inferiore a pochi microsecondi.
Gli illuminatori Roder Vision serie DL5 e DL6 sono progettati per il funzionamento stroboscopico con durate d’impulso molto brevi. I circuiti elettronici di pilotaggio raggiungono tempi di salita inferiori a 2 microsecondi fino al picco di uscita. L’ingresso di attivazione stroboscopica accetta sia segnali logici a 5 V che a 24 V ed è direttamente compatibile con i formati di uscita delle telecamere e dei frame grabber standard per la visione artificiale.
Geometria dell’Illuminazione per la Lettura di Codici a Barre su Parti Mobili
La geometria dell’Illuminatore influisce sulla leggibilità dei codici a barre in diversi modi, oltre alla semplice intensità. L’angolo di illuminazione, l’uniformità nell’area del codice a barre e la relazione tra la direzione dell’illuminazione e l’orientamento del codice a barre influenzano la qualità dell’immagine decodificata.
Illuminazione Diretta per Codici a Barre Piatti su Superfici Opache
Per i codici a barre stampati su superfici opache o satinate come etichette di carta, cartoni e plastica non rivestita, l’Illuminazione Diretta frontale da un Illuminatore a matrice o ad anello fornisce la massima intensità e il miglior contrasto. L’angolo di illuminazione deve essere compreso tra 30° e 60° rispetto all’asse della fotocamera per evitare il riflesso speculare che si verifica a incidenza normale su superfici leggermente riflettenti. Un illuminatore ad anello centrato sull’asse della telecamera fornisce un’illuminazione frontale omnidirezionale, indipendente dall’orientamento del codice a barre sull’etichetta.
Illuminazione Diffusa per Superfici Lucide e Riflettenti
I codici a barre su etichette lucide, substrati metallizzati e prodotti termoretraibili richiedono un’Illuminazione Diffusa per evitare i punti caldi speculari che saturano il Sensore e mascherano le barre del codice a barre. Un illuminatore a cupola piatta fornisce un’illuminazione diffusa da un ampio angolo solido. Il codice a barre viene ripreso attraverso l’apertura della cupola. La geometria dell’Illuminazione Diffusa elimina i riflessi speculari e produce un’immagine uniforme e leggibile del codice a barre anche su substrati altamente riflettenti.
Il compromesso con l’illuminazione diffusa è l’intensità: gli illuminatori a cupola piatta distribuiscono la loro emissione ottica su un ampio angolo solido, con conseguente minore intensità sulla superficie del prodotto rispetto a un illuminatore diretto della stessa potenza elettrica. Per le applicazioni ad alta velocità su superfici riflettenti, è necessaria una combinazione di Illuminazione Diffusa moderata per il contrasto e un impulso stroboscopico molto breve per il congelamento del movimento.
Orientamento della barra e direzione dell’Illuminazione Diretta
Per i codici a barre lineari, la direzione dell’illuminazione rispetto all’orientamento delle barre influisce sul contrasto dei bordi dell’immagine. L’Illuminazione parallela alle barre (perpendicolare alla direzione di scansione) produce il massimo contrasto ai bordi delle barre. L’illuminamento perpendicolare alle barre (lungo la direzione di scansione) riduce al minimo il contrasto dei bordi. In pratica, l’orientamento del codice a barre sul prodotto è solitamente fisso e la geometria dell’Illuminatore viene progettata di conseguenza. Per le applicazioni in cui l’orientamento del codice a barre è variabile, è preferibile utilizzare un Illuminatore ad anello o una sorgente diffusa perché entrambi sono indipendenti dall’orientamento del codice a barre.
Datamatrix e codici 2D: Ulteriori considerazioni sull’Illuminamento
I codici Datamatrix, i Codici QR e altre simbologie 2D sono sempre più utilizzati nelle applicazioni di tracciabilità industriale perché contengono più informazioni per unità di superficie rispetto ai codici a barre lineari e possono essere letti anche se parzialmente danneggiati. Le dimensioni delle celle di un codice a matrice di dati stampato alle densità industriali tipiche vanno da 0,25 mm a 1 mm per cella. I requisiti di illuminazione sono simili a quelli dei codici a barre lineari in termini di intensità e di blocco del movimento, ma la struttura 2D del codice impone ulteriori vincoli.
I codici Datamatrix sono spesso marcati direttamente sulla superficie del pezzo tramite marcatura a punti, incisione laser o incisione chimica, anziché essere stampati su un’etichetta. Queste tecniche di marcatura diretta dei pezzi (DPM) producono codici che vengono letti in condizioni di illuminamento molto diverse da quelle utilizzate per i codici a barre stampati. I codici con marcatura a punti su superfici metalliche richiedono un illuminamento direzionale con un’angolazione specifica per creare un contrasto tra i punti dentellati e la superficie piana circostante. L’illuminazione ad anello a bassa angolazione o l’illuminazione coassiale sono le tecniche più utilizzate per la Lettura di Codici a Barre DPM.
Linee guida pratiche per l’Illuminazione Stroboscopica nei sistemi di Lettura di Codici a Barre
La progettazione di un sistema di illuminazione stroboscopica per la lettura di codici a barre richiede la corrispondenza di diversi parametri: tempo di esposizione, intensità di picco, distanza di lavoro dell’illuminatore, campo visivo e interfaccia di attivazione.
Il tempo di esposizione viene impostato per primo, in base alla velocità della linea e al calcolo della dimensione X del codice a barre di cui sopra. L’irradianza superficiale richiesta viene calcolata in base al tempo di esposizione, alla sensibilità del Sensore della fotocamera, al numero f dell’obiettivo e al livello di grigio target negli spazi bianchi del codice a barre. L’illuminatore viene scelto per fornire questa irradianza alla distanza di lavoro e alla dimensione del campo richieste. Le schede tecniche dei prodotti Roder Vision forniscono le specifiche di irradianza di picco in modalità strobo a distanze di lavoro definite, consentendo al progettista del sistema di verificare che l’irradianza richiesta sia raggiungibile prima dell’integrazione del sistema.
Prodotti e tecnologie
Famiglie di Illuminatori Roder Vision per la Lettura di Codici a Barre
Le seguenti famiglie di prodotti RODER Vision sono ottimizzate per applicazioni di lettura di Codici a Barre e Datamatrix ad alta velocità che richiedono un’Illuminazione Stroboscopica.
DL5 – Matrice di LED ad Alta Intensità
Massima intensità di picco in modalità strobo. Progettato per la lettura di codici a barre ad alta velocità con tempi di esposizione fino a 10 microsecondi. Tempo di salita veloce. Lunghezza d’Onda multipla, inclusi rosso e bianco.
DL6 – Matrice di LED ad alta densità
Matrice ad alta densità con stabilità termica HTTM. Compatibile con gli strobo per la lettura di codici a barre e datamatrix. Formato grande per applicazioni di trasporto ad ampio raggio.
DC6 – Anello LED ad Alta Densità
Illuminatore ad anello per la lettura di Codici a Barre su etichette di qualsiasi orientamento. Lunghezza d’Onda multipla. Compatibile con lo strobo. Opzione a bassa angolazione per la lettura di codici a barre DPM dot-peen su parti metalliche.
FD2 – Illuminatori LED a cupola piatta
Illuminazione Diffusa a cupola per la Lettura di Codici a Barre su etichette lucide, metallizzate e termoretraibili. Elimina gli hotspot speculari. Compatibile con gli stroboscopi per le applicazioni motion-freeze.
Domande frequenti
La sfocatura da movimento si verifica quando un codice a barre si muove durante l’esposizione della fotocamera. Le barre e gli spazi vengono spalmati nella direzione del movimento, riducendo il contrasto dei bordi al di sotto della soglia di decodifica. La sfocatura viene eliminata riducendo il tempo di esposizione in modo che il codice a barre si muova meno del 10-20% della larghezza di una barra durante l’esposizione. L’esposizione più breve richiede un’intensità di illuminazione proporzionalmente maggiore, ottenuta con Illuminatori LED stroboscopici.
Dividi la distanza di sfocatura consentita per la velocità dell’oggetto. La sfocatura consentita è in genere pari al 10-20% della dimensione X del codice a barre (larghezza minima della barra). Per un codice a barre con una dimensione X di 0,33 mm che si muove a 1 m/s, l’esposizione massima è di 0,033-0,066 mm diviso 1000 mm/s = 33-66 microsecondi. A velocità di linea superiori, il tempo di esposizione richiesto diminuisce proporzionalmente.
L’Illuminazione Stroboscopica aziona gli Illuminatori LED con correnti di picco da 10 a 50 volte superiori al valore nominale continuo per durate molto brevi. Questo produce intensità ottiche di picco molto superiori a quelle che gli illuminatori continui possono sostenere. La breve durata dell’impulso, combinata con l’elevata intensità di picco, consente esposizioni molto brevi della fotocamera che congelano il movimento, fornendo comunque una luce sufficiente per una corretta esposizione del Sensore.
I codici a matrice di dati per la marcatura diretta dei pezzi (DPM) su superfici metalliche richiedono un Illuminamento direzionale per creare un contrasto tra i punti dentellati e la superficie piana circostante. Le tecniche standard sono l’Illuminatore ad anello ad angolo ridotto o l’Illuminazione coassiale. L’angolo migliore dipende dalla profondità della marcatura e dalla rugosità della superficie del pezzo. Di solito sono necessari test con angoli diversi per ottimizzare il contrasto per la marcatura e il substrato specifici.
Sì, in molte applicazioni. Un illuminatore stroboscopico ad alta intensità attivato per la Lettura di Codici a Barre con esposizione breve può essere utilizzato anche con un’intensità inferiore o un’esposizione più lunga per la verifica della stampa delle etichette e il rilevamento della presenza nella stessa stazione di ripresa. L’illuminatore viene attivato in modo diverso per ogni attività di ispezione e il sistema di visione elabora i due tipi di immagini con algoritmi separati. In questo modo si riduce il numero di illuminatori e di stazioni di ripresa necessarie.
Contatti e informazioni
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