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La très haute résolution pour la vision industrielle

Dans l'industrie, de nombreuses applications d'inspection requièrent une très haute résolution pour que les détails les plus minimes soient visibles. C'est le cas par exemple du contrôle qualité des écrans plats et des circuits imprimés, ou de l'inspection de documents.

Les écrans plats utilisent en effet des technologies de plus en plus variées, comme les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou les cristaux liquides (LCD) par exemple. Chaque nouvelle génération d'écrans plats présente ainsi des densités de pixels de plus en plus élevées. Pour que le contrôle qualité s'effectue au mieux, sans pour autant ralentir les cadences de lecture, il faut pouvoir compter sur une résolution et une sensibilté élevées.

L'inspection de documents quant à elle englobe des tâches très variées : il peut s'agir de contrôler des documents en continu et/ou de contrôler certaines pages numérotées, de vérifier des symboles ou des étiquettes sur des documents en continu, des pages ou des documents individuels. Cela englobe également le contrôle des marquages de sécurité, c'est-à-dire le contrôle de la présence, de la position et de l'intégrité des films ou hologrammes appliqués sur les documents, ou des marquages insérés de type filigranes.

De plus en plus de pixels

Ces applications à haute résolution utilisent en général un système complet comprenant caméras, objectifs et éclairages. Les caméras utilisées pour la vision industrielle sont en général matricielles. Les progrès technologiques les plus récents en matière de capteurs CMOS et CCD font grimper les taux de pixels. La résolution spatiale connaît une croissance exponentielle, sans pour autant affecter la fréquence d'image de la caméra, qui reste stable, voire plus rapide. Mais le nombre de pixels disponibles n'est pas le seul point important ici.

Les capteurs de caméras fabriqués en série pour les smartphones peuvent atteindre entre 12 et 16 mégapixels. Pourtant, les capteurs eux-mêmes sont très petits et leur coût est très élevé. Cela signifie qu'ils ont des pixels de très petite taille, ce qui entraîne une mauvaise collecte de la lumière et un mauvais rapport signal/bruit. Ce détail a lui seul empêche son utilisation en vision industrielle. Le contrôle de l'exposition sur la puce est par ailleurs limité, avec un système d'obturation de type « rolling shutter » qui n'expose pas tous les pixels en même temps.

De quoi les caméras de vision industrielle ont-elles besoin ?

Si la photographie grand public peut se passer de certains réglages de la caméra pour offrir des images de qualité, la vision industrielle quant à elle doit pouvoir compter sur un panel assez large de fonctions. Il lui faut plus qu'un taux élevé de pixels : la taille et la forme des pixels sont également importantes, de même que la sensibilité du capteur, la fréquence des images, le contrôle de l'exposition, du déclenchement, la dynamique, la réponse spectrale, le prétraitement des images, le balayage partiel, la lecture de différentes zones d'image, le contrôle des séquences, etc. L'interface utilisée par la caméra pour transférer les données vers l'ordinateur où elles seront analysées joue également un rôle essentiel, comme par exemple CameraLink, GigE Vision, USB3 Vision, CoaXPress, CameraLink HS etc.

Si l'énorme différence de prix entre les caméras haute résolution des téléphones portables et celles de vision industrielle peut sembler inconcevable à première vue, les quantités de fabrication considérablement inférieures de ces dernières ainsi que l'utilisation de capteurs de plus grande taille en vision industrielle expliquent que la grille tarifaire soit si différente.

Combien faut-il de pixels ?

De nouvelles caméras de vision industrielle arrivent régulièrement sur le marché. Parmi les caméras matricielles à haute résolution annoncées récemment, on retrouve la série Vieworks VNP à système de refroidissement thermoélectrique Peltier (TEC) et décalage de pixels. Elles atteignent une définition d'image entre 14192 x 10640 pixels et 28384 x 21280 pixels (décalage pixel x4). La JAI Spark SP-20000C quant à elle est une caméra de 20 mégapixels avec 5120 x 3840 pixels. Mais que faire si vous avez besoin de plus de pixels ?

Quelques solutions pour obtenir plus de pixels

Un système à plusieurs caméras permet d'obtenir un grand nombre d'images. Celles-ci sont ensuite combinées pour former une image à très haute résolution. Vous pouvez également obtenir plusieurs images, que vous combinez ensuite en une image unique, avec une seule caméra : pour cela, vous devez déplacer soit l'objet soit la caméra. Une troisième solution consiste à utiliser la technique de décalage de pixels (Pixel Shift) : c'est cette technique que nous vous présentons plus bas dans cet article.

Une approche complètement différente consiste à utiliser une caméra linéaire et à combiner les différentes lignes scannées pour former une image complète. Les caméras linéaires, dans leur forme la plus élémentaire, utilisent un capteur avec une simple ligne de pixels. Généralement, les résolutions varient de 512 x 1 pixels à 16384 x 1 pixels. En déplaçant soit l'objet soit la caméra, on obtient plusieurs lignes qui, une fois assemblées, forment une image « matricielle » (sur une carte d'acquisition, en général). L'avantage de cette technique : seule la largeur de l'image est fixe. L'image obtenue aura donc une haute résolution et il sera possible de choisir le rapport de forme pour répondre à des conditions spécifiques. En règle générale, les capteurs matriciels ont un rapport de forme de 4:3, 16:9 ou 1:1. Mais les images linéaires ne se limitent pas à cela. Par exemple, même avec un rapport de 4:3, une caméra linéaire de 16k peut produire une image de 358 mégapixels ou de 201 mégapixels, en fonction de son orientation.

Si vous utilisez une caméra linéaire

Le déplacement et l'alignement sont deux éléments-clés si vous utilisez une caméra linéaire (pour en savoir plus sur la technolgie des caméras linéaires). Il est primordial d'avoir un mouvement relatif entre l'objet et la caméra pour pouvoir obtenir une image. Il faut également adapter la vitesse aux exigences de l'application, et qu'elle reste constante pour éviter les distorsions d'image. De la même façon, l'alignement de la caméra est crucial car si le capteur linéaire n'est pas perpendiculaire à la direction du mouvement, l'image donnera l'impression d'être inclinée.

Une évolution récente dans le domaine des caméras linéaires concerne l'introduction de capteurs d'image par contact (CIS). Ces derniers fonctionnent de la même manière que les télécopieurs et les scanners, mais dans un contexte industriel : la vitesse et la résolution sont ainsi plus élevées, et l'interface est plus rapide. Leurs atouts : une distance de travail réduite, un objectif sans distorsion et un réglage plus facile.

La technologie Pixel Shift

L'utilisation de la technologie de décalage des pixels augmente considérablement les possibilités de résolution des capteurs de caméras matricielles. Les caméras de vision industrielle Vieworks VNP à interface CoaxPress sont dotées d'un capteur CMOS de 151 mégapixels (14192 x 10640 pixels) pour la version standard. Mais elles disposent également de la technologie de décalage de pixels qui leur permet d'atteindre 604 millions de pixels (28348 × 21280) pour offrir une solution aux applications nécessitant une très haute résolution. Le capteur est monté sur un cristal piézoélectrique précis permettant au capteur des déplacements nanométriques d'un demi ou d'un tiers de pixel. La résolution standard peut ainsi être multipliée par 4 pour atteindre 604 millions de pixels.

Le processus de décalage des pixels

L'illustration 1 vous montre le processus de déplacement des pixels. Dans cet exemple, le capteur est déplacé avec précision d'½ pixel dans les directions X et Y, l'image obtenue étant une combinaison de 4 images individuelles, permettant ainsi d'avoir une meilleure résolution (image à partir de 4 prises de vue) par rapport à l'image en sortie standard (image à partir d'1 prise de vue). La combinaison des images est effectuée par logiciel sur l'ordinateur utilisé. Il est possible de réaliser une procédure similaire en décalant le capteur d'1/3 de pixel afin d'obtenir 9 images.
La caméra est disponible aussi bien en version monochrome qu'en version couleur. La technique de décalage des pixels présente des avantages supplémentaires pour les applications en couleur. La caméra couleur CCD utilise l'interpolation Bayer afin de produire des images en couleur, avec cependant des effets indésirables comme par exemple des effets de moiré ou des pixels en fausse couleur.

Idéal pour les applications industrielles avec des conditions lumineuses difficiles

Grâce au décalage de pixels cependant, ces effets indésirables disparaissent et les couleurs sont bien mieux résolues, comme le montre l'illustration 2. Les capteurs de la série Vieworks VNP peuvent être refroidis par effet thermoélectrique Peltier (TEC) jusqu'à 15 degrés en dessous de la température ambiante, ce qui améliore leur sensibilité. Cela stabilise aussi les conditions de fonctionnement, réduit le bruit numérique et permet d'augmenter les temps d'exposition ou d'avoir des niveaux de gain plus élevés pour augmenter la sensibilité. Ces caméras sont donc parfaitement adaptées aux applications industrielles à faible luminosité, à faible niveau de contraste ou à luminosité non uniforme.

Une meilleure résolution et un champ de vision plus large

Les images 3 et 4 illustrent l'amélioration de la résolution sur un billet de banque. L'image 3 a été prise avec des réglages standards de résolution : les pixels sont très visibles et rendent l'image floue. L'image 4 représente la même zone du billet, mais en utilisant le décalage des pixels : le dessin est beaucoup plus net. Le décalage des pixels améliore ainsi la résolution des images, mais pas seulement : il permet ainsi d'avoir un champ de vision plus large, si la caméra est équipée d'un objectif approprié, indépendamment des réglages de résolution. Fini l'assemblage d'images et l'utilisation de plusieurs caméras : vous pouvez obtenir l'image requise en une seule prise, et économisez ainsi à la fois du temps et de l'argent.