kontakt kamery@atesystem.cz
kontakt +420 595 170 472

5. květen 2015

Řádková kamera Basler sprint srdcem linky na třídění střepů

Vytvořil:

Tomáš Gřeš

Na optickém principu s využitím vysokorychlostní kamery Basler spL4096-39kc funguje prototyp linky na třídění skleněného odpadu vyvinuté TU v Liberci.

Zařízení pro třídění sypkých materiálů

Řešitel: Ústav nanomateriálů, pokročilých technologií a inovací; Technická univerzita v Liberci
Projekt: CZ.1.07/2.3.00/30.0024 (Pre-seed)
Autor článku: Ing. David Krčmařík, Ph.D. (mladý vědecký pracovník – junior researcher)

Cílem projektu je vytvoření funkčního prototypu stroje pro efektivní třídění skla pro následnou recyklaci. Sklo pochází z různých zdrojů (sběrné kontejnery, průmysl) a obsahuje i nečistoty. Ty však nejsou jediným problémem. Sklo přichází do třídíren většinou smíchané. Jednak je nutné vytřídit cizí materiály, jako porcelán, keramika, kamínky, jednak se musí skleněné střepy rozdělit podle typu skla (železné příměsi; drátosklo; varné sklo borosilikátové typu SIMAX; olovnaté sklo). Nečistoty totiž způsobují poškozování tavicích pecí pro recyklaci skla.

Dále je pak požadováno sklo třídit i podle barev. Hlavní barvy jsou tyto: zelená, hnědá, bílá, zelinkavá (nazelenalé bílé sklo) a tzv. deaf leaf (jiný odstín hnědé používaný např. pro olivové oleje).

Obr. 1: Jaké jsou druhy skla a nečistot.
Obr. 1: Jaké jsou druhy skla a nečistot.

Na trhu jsou již stroje, které toto zadání s větším či menším úspěchem zvládají. Cílem tohoto projektu je tedy posunout vývoj v této oblasti kupředu a vyvinout zařízení, které bude schopno rozlišovat jednotlivé druhy skla i velmi jemné rozdíly v barevných odstínech. Jedním z kritérií je také snížení ceny celého systému, který je založen na principu strojového vidění s vysokorychlostním vyhodnocením obrazu.

První generace tohoto systému je založena na principu fotozávor, které dokázaly detekovat neprůhledné nečistoty. Tento princip je sice velmi jednoduchý a efektivní, ale nedokáže rozlišit jednotlivé typy skla. Stroj také nedokázal třídit střepy o velikosti menší než 8 mm.

Obr. 2: Funkční stroj již dříve vyvinutý.
Obr. 2: Funkční stroj již dříve vyvinutý.

Základem druhé generace stroje je vysokorychlostní barevná kamera, která snímá střepy padající z dopravníku. Obraz z kamery je vyhodnocován v PC a podle typu a polohy střepů se posílají povely systému vzduchových trysek, které jsou umístěny pod dopravníkem. Pomocí přesně cíleného proudu vzduchu jsou příslušné částice odfouknuty do jiného kontejneru. Střepy padají rychlostí asi 2,4 m/s. Vzhledem různé velikosti a tvaru však nemají stejnou rychlost (odpor vzduchu) a je proto nutné mít akční členy co nejblíže místu snímání. Na zpracování obrazu je tedy pouze několik milisekund. Proto je pro zpracování obrazu použito hradlové pole (FPGA), které umožňuje získání výsledku měření již v řádu mikrosekund. Samotná řádková kamera pak pracuje s frekvencí několika desítek kilohertz. Vzhledem k extrémně krátkému expozičnímu času bylo nutno použít poměrně výkonné osvětlení.

Pro výrobu prototypu byla navrhnuta konstrukce hliníkových profilů. Pro zajímavost uvádíme nejdůležitější komponenty systému:

Použité speciální díly:
1)      Osvětlení – 3-segmentová Corona II
2)      Kamera – Basler spl 4096-39kc
3)      Osvětlovací kontrolér – XLC4
4)      FPGA deska – NI PCIe-1473R
5)      Proudová deska – vlastní výroba
6)      Ventily – BV214 (Mac Industry – EL46) – 40x
7)      Trysky – vlastní návrh
8)      Stojan – vlastní výroba 


Obr. 3a: Testovací stojan s upevněnými jednotlivými díly s popiskama
Obr. 3: Testovací stojan s upevněnými jednotlivými díly

Obr. 5a: Detail třídění s popiskama
Obr. 5: Detail třídění

Obr. 6: Barevná řádková kamera (Basler spL4096-39kc) s rozhraním Full Camera Link a teleskopickým objektivem
Obr. 6: Barevná řádková kamera (Basler spl 4096-39kc) s rozhraním Full Camera Link a teleskopickým objektivem

Obr. 7a: Počítač s řídícími deskami s popiskama
Obr. 7: Počítač s řídícími deskami

Celý systém je řízen z programového prostředí LabVIEW, které umožnilo velmi rychlý návrh algoritmů v FPGA a ověření principů vyhodnocení. Ostrá verze třídicí linky počítá s vývojem vlastní desky.

Projekt třídicího zařízení v tuto chvíli stále prochází vývojem. V tuto chvíli se zaměřuje hlavně na správnou detekcí barev s vysokou opakovatelností. Vstupní barevná informace (dekódovaná z Bayerovy masky) je transformována na YUV složky tak, aby se omezil vliv různého jasu (různá tloušťka skla propouští různé množství světla a tím pádem se mění i celkový jas). Poté se jednotlivé barvy střepů rozpoznávají pomocí charakteristických prahů těchto složek. Příklad je na obrázku níže. Pro tyto účely je absolutně nezbytná správná kalibrace kamery a kvalitní osvětlení, jehož vyzařovací parametry se v čase nemění.

Obr. 9: Detekce zelených střepů.
Obr. 9: Jedná se o detekci zelených střepů. Vlevo nasnímaný obraz, vedle je zjištění pomocí jednoduchého prahování, dále pak optimalizovaný algoritmus a úplně vpravo je přiřazení jednotlivých aktivovaných trysek.


Obr. 10: Osvětlení místa detekce střepů a odpovídající graf intenzity světla

Uživatelské rozhraní je naznačeno níže. Je zde patrná část, kde se zobrazuje zaznamenaný obraz, níže je pak jednoduché prahování a ještě níže pak odpovídající trysky, jak se otvírají.
Po úspěšné detekci požadovaného materiálu (zelené sklo, kamínek, bílé sklo atd.) se informace zpracuje v FPGA (střepy padají rychlostí asi 2,4 m/s) a dá se pokyn příslušnému ventilu, který leží pod detekovaným objektem, aby se otevřel. Tím dojde k odfouknutí nežádoucí látky.

Obr. 11: Uživatelské rozhraní v LabView
Obr. 11: Uživatelské rozhraní v LabView

Obr. 12: Schématický náčrt zařízení
Obr. 12: Schématický náčrt zařízení.


Obr. 13: Skutečný provoz zaznamenaný rychlokamerou

Obr. 14:  Rozpoznávání zelených střepů ze vzorku (nalevo) a finální binární obraz určený pro trysky (napravo – tmavší objekty se odfouknou a světlejší propadnou)
Obr. 14: Příklad rozpoznávání zelených střepů ze vzorku (nalevo) a finální binární obraz určený pro trysky (napravo – tmavší objekty se odfouknou a světlejší propadnou)

ZÁVĚR: V první fázi projektu se stále ještě zdokonaluje spolehlivé třídění skleněných střepů podle barev. Dalším úkolem je vývoj detektoru tenkých drátků ve skle a detekce borosilikátového (varného) a olovnatého skla. 

Logo
Top