La Vision N'en A Pas Fini Avec L'innovation

Le 01/12/2014 à 14:00

P lus de 30 ans après son arrivée dans l'industrie, au début des années 1980, la vision s'est immiscée dans pléthore d'applications particulièrement variées. Que ce soit l'automobile, la construction mécanique, la mécanique de précision, l'industrie optique, l'électronique et l'électrotechnique, le médical, les transports et la logistique, la sécurité, l'industrie pharmaceutique, l'imprimerie, la verrerie, l'industrie du bois, le recyclage, la chimie, la cosmétique, l'industrie agroalimentaire, la biotechnologie, l'agriculture, le sport, ou bien encore le secteur du divertissement, aucune de ces industries ne peut aujourd'hui se passer de la vision. Il faut dire que cette dernière a beaucoup évolué au fil des ans, passant de simple système d'inspection au départ à un véritable instrument d'optimisation de la production aujourd'hui. Au point que solutions d'automatisation et vision industrielle sont devenues indissociables pour bon nombre de secteurs d'activité. « Dans le monde entier, nous constatons un besoin important en solutions d'automatisation et le traitement de l'image en profite, assure Olaf Munkelt, président du département du VDMA spécialisé dans le traitement industriel de l'image. Contrôle qualité selon la cadence de production, contrôle lors du processus de fabrication, sécurité des procédés dans la production : sans le traitement d'image, les exigences de plus en plus élevées d'une production moderne seraient difficiles à satisfaire.» Une opi-nion partagée par Peter Stiefenhöfer, directeur marketing de Stemmer Imaging, qui va même plus loin en érigeant la vision industrielle en maillon capital pour l'industrie du futur: «Une production économiquement viable sans traite-ment d'image est quasiment impensable aujourd'hui e,t à l'ère de l'industrie 4.0, la vision joue un rôle de plus en plus important car,sans elle,cette stratégie d'avenir ne serait probablement pas réalisable». Parmi les secteurs utilisateurs de la vision industrielle, l'automobile occupe une place de choix. Et cela ne doit rien au hasard. «Ceci s'explique par la forte pression au niveau des coûts et en même temps par les exigences de qualité très sévères imposées par l'industrie automobile et les systèmes de contrôle qualité automatisés avec un contrôle visuel intégré sont souvent la solution choisie pour concilier les deux», explique Jean-Philippe Roman, directeur marketing chez Allied Vision Technologies, qui ajoute: «un contrôle sur quelques échantillons ne suffit plus,il faut contrôler ces éléments à 100% et la traçabilité doit être assurée, ce que nous offrent les systèmes de traitement d'image ». « Le traitement d'image est la clé pour automatiser un grand nombre d'applications dans l'industrie automobile, renchérit Nicole Rüffer, directrice du marketing chez IsraVision, il nous permet de standardiser la qualité pour des séries entières dans toutes les unités de production mais aussi de réduire nettement le coût unitaire».

L'essentiel

P La vision industrielle est aujourd'hui considérée comme un véritable instrument d'optimisation de la production, indissociable des solutions d'automatisation industrielles.

P Parmi les tendances de ce secteur, les progrès importants des capteurs CMOS, la montée en puissance des processeurs et logiciels dédiés, l'avènement des interfaces de connectivité ultrarapides et le déploiement de dispositifs de vision 3D sont plus marquantes.

Avec la 3D, la vision industrielle s'immisce dans des applications qui lui étaient auparavant proscrites. C'est par exemple le cas de la lecture et du contrôle de caractères inscrits sur les pneumatiques qui, compte tenu d'un très faible contraste (caractères noirs sur fond noir), ne pouvait se résoudre que par une détection du relief formé par les inscriptions moulées en même temps que le pneu, et donc seulement par l'emploi d'une solution de vision 3D.

Cognex

La vision industrielle est partout

Que ce soit pour l'inspection par caméra de la qualité d'un produit, pour la vérification de l'aspect ou des dimensions des pièces fabriquées, pour une inspection de précision à haute vitesse, ou pour guider un robot industriel, la vision et le traitement d'image s'imposent dans toutes les phases de la production des produits, et cela dans de multiples secteurs d'activité qui disposent de leurs propres spécificités. Ainsi, «une ligne de production automobile traitant une à deux pièces par seconde n'a pas les mêmes contraintes qu'une ligne d'embouteillage sur laquelle passent dix à quinze bouteilles par seconde », constate Alain Duflot, responsable marketing produits de Cognex Europe.A l'inverse, la détection par système de vision de défauts de peinture très fins sur la carrosserie d'un véhicule sera beaucoup exigeante en termes de résolution que la lecture d'une date limite de consommation sur un emballage de jus de fruit. L'environnement dans lequel se situe l'appli-cation revêt également une importance capi-tale. « Dans un environnement de production réel dans lequel les composants sont produits en grande série,les systèmes de traitement d'image doivent être surtout robustes et sûrs, et leur utilisation et la maintenance doivent être simples.C'est pourquoi les constructeurs préconisent souvent des systèmescom-pacts intelligents. En revanche, les services de R&D utilisent souvent des systèmes de traitement d'image très perfectionnés pour vérifier la qualité des pièces de la présérie ou pour tester des nouvelles méthodes de fabrication », précise Heinz Haaf, responsable grands comptes automobiles chez Stemmer Imaging.

Le propre d'un bon système de vision industrielle est par conséquent de s'adapter au

mieux aux spécificités de cette multiplicité de contraintes. Et tous les constituants de ces solutions de traitement d'image concourent à relever ce défi: capteurs d'image, caméras, caméras intelligentes, optique associée, cartes d'acquisition de données, PC, logiciels de traitement d'image, systèmes d'éclairage, câbles, accessoires. Les systèmes de vision industrielle voient leurs performances boostées au fil des années, que ce soit en termes de résolution, de vitessed'acquisition,d'in-telligence embarquée, de capacité de traitement de données, etc. au fur et à mesure de l'évolution des performances de leurs constituants. « En 10 ans, les capteurs de vision sont passés d'une résolutionVGA de 640 x 480 pixels à une résolution de 5 millions de pixels », observe Alain Duflot de Cognex Europe. « Certains systèmes de vision atteignent même des résolutions de 20,voire 25 millions de pixels qui peuvent s'avé-rerutiles dans certaines applications spécifiques telles que la détection d'un défaut de positionnement d'une fraction de millimètre sur un convoyeur très large. Mais avec des capteurs jusqu'à 5 millions de pixels, on peut déjà couvrir au moins 95 % des applications actuelles », ajoute-t-il. L'autre tendance en vigueur est l'accroissement de la vitesse d'acquisition des systèmes de vision, qui trouve son utilité par exemple dans le s applications d'emballage, de présence/absence, le suivi des machines et le contrôle des convoyeurs dans le secteur des biens de consommation, des appareils médicaux et de l'électronique, etc. Mais attention, car plus la résolution du système de vision est élevée, et plus la vitesse d'acquisition qu'il est possible d'atteindre est faible. Par exemple, en août dernier, Cognex a commercialisé In-Sight Micro 1500, une caméra intelligente compacte (30x30x60mm) très haute vitesse capable d'atteindre une cadence maximale de 200 images par seconde en résolution VGA (640 x 480 pixels) et jusqu'à 400 images par seconde en résolution 640x240 pixels, des performances présentées par l'américain comme inégalées sur le marché. Et pour une résolution SVGA de 800x600, la vitesse «tombe» à 150 images par seconde, ce qui reste bien évidemment élevé mais qui montre bien la corrélation entre résolution et cadence. «Tout est affaire de compromis lorsque résolution élevée et haute vitesse sont nécessaires à une application donnée et cela peut représenter un frein.Toutefois, avec les progrès des systèmes de vision, tant d'un point de vue matériel que logiciel, les applications qui posent véritablement problème de ce point de vue deviennent de plus en plus rares », constate Alain Duflot (Cognex Europe).

Côté matériel, ces progrès sont essentiellement dus à ceux des processeurs utilisés, des capteurs de vision, des architectures de traitement des données et des interfaces et liaisons utilisées pour le transfert de données. Aujourd'hui, dans les caméras dites intelligentes – ces caméras compactes qui embarquent en leur sein le logiciel et la puissance de calcul nécessaires au traitement d'images, ainsi que les entrées/sorties–, les processeurs (CPU) monocœurs basse consommation, mais à faible taille mémoire,

laissent progressivement la place à des processeurs multicœurs –donc bien plus performants – mieux à même de traiter des images haute résolution suffisamment rapidement pour la plupart des processus industriels, et de permettre un fonctionnement multitâche. Et cela avec une consommation énergétique qui reste dans les limites du (très) raisonnable et qui, par conséquent, n'affecte pas la compacité des caméras intelligentes. Par ailleurs, l'architecture du traitement de données des caméras intelligentes de nouvelle génération fait de plus en plus appel à des coprocesseurs de type FPGA ( Field Programmable Gate Array ) dont le rôle est de décharger le CPU des opérations matricielles de prétraitement des images, le laissant libre pour les algorithmes avancés ( voir notre article en page 29 ). Ainsi parées, les caméras intelligentes peuvent concilier résolution élevée et rapidité d'acquisition, ne sont plus limitées à une seule tâche de traitement d'image simple comme le jaugeage, le comptage, l'alignement ou la lecture de code à barres, et gagnent grandement en évolutivité (ajout aisé de nouvelles fonctions sans passer par l'installation d'unités supplémentaires).

La vision industrielle a beaucoup évolué au fil des ans, passant de simple système d'inspection au départ, à un véritable instrument d'optimisation de la production aujourd'hui. Au point que solutions d'automatisation e t vision industrielle sont devenues indissociables pour bon nombre de secteurs d'activité.

Fanuc

Les capteurs CMOS ont le vent en poupe

Du côté des capteurs, si les technologies CCD ( Charge Coupled Device ) et CMOS ( Complementary Metal Oxyde Semiconductor ) occupent le terrain en vision industrielle, c'est clairement la seconde qui a le vent en poupe actuellement. « 2015 sera à nouveau une année passionnante pour le secteur de la vision, en particulier grâce à l'arrivée de nouveaux capteurs CMOS affichant des spécifications impressionnantes en termes de qualité d'image et de vitesse d'acquisition,définissant ainsi un nouveau rapport qualité/ prix compte tenu de l'avantage de cette technologie en termes de coût par rapport aux CCD ; et pour la première fois, nous nous attendons à ce que l'ensemble des résolutions standard, allant du VGA à 5 mégapixels, soit couvert par la technologie CMOS », assure HenningTiarks, directeur du marketing produit chez Basler. De quoi assu-rer un bel avenir à la technologie CMOS. « Cette technologie sera pertinente pour toutes les applications existantes et nouvelles de la machine de vision ainsi que dans des applications en dehors des usines de production,telles que les systèmes de trafic intelligents ou médicaux », poursuit M.Tiarks. Il ne faut toutefois pas enterrer les capteurs CCD qui se distinguent par leur faible facteur de bruit, un haut facteur de remplissage et un très fort rapport signal sur bruit pour les images, le tout avec une très grande qualité d'image. « Ces propriétés font des caméras construites autour de capteurs CCD un choix solide pour les applications de vision industrielle où l'éclairage est faible » , affirme ainsi M.Tiarks.

Pour accompagner la montée en performances des systèmes de vision en termes de résolution et de cadence notamment, et éviter les goulots d'étranglement, les interfaces et liaisons utilisées pour le transfert de données doivent évoluer de concert. Ce qui se traduit par l'arrivée de nouveaux standards tels que CoaXPress (CXP), USB 3.0 Vision et 10 GigE Vision.

Source : Xilinx

Les standards d'interface évoluent de concert

Mais pour accompagner la montée en performances des systèmes de vision en termes de résolution et de cadence, et éviter les goulots d'étranglement, les interfaces et liaisons utilisées pour le transfert de données doivent évoluer de concert. Et aux standards bien établis dans le domaine de la vision que sont USB 2.0, IEEE 1394b, GigEVision et Camera Link, viennent aujourd'hui s'ajouter de nouvelles interfaces et liaisons plus performantes et/ou moins onéreuses, répondant aux normes les plus récentes que sont USB 3.0 Vision, CoaxPress (CXP) ou bien encore 10 GigE Vision. Et au-delà des questions de débit de données transmises, certains de ces standards répondent à la problématique parfois rencontrée de déport de la carte d'acquisition à un e distance importante de la caméra. Ainsi, les standards Camera Link et USB 3.0 sont-ils compatibles avec des débits de l'ordre de 5Gbit/s mais leur portée est limitée à quelques mètres seulement (à moins d'utiliser un câble spécifique fort coûteux), alors que les nouveaux standards CoaxPress (CXP) et 10 GigE Vision supportent des liaisons Ethernet jusqu'à 10Gbit/s et offrent une portée de 100 mètres et plus ( voir tableau ). Une évolution du standard Camera Link basée sur l'utilisation de 4 paires de cuivre et baptisée Camera Link HS porte le débit de ce standard à 10Gbit/s mais la portée reste limitée à 15 mètres. A l'instar du standard 10GigE Vision, le Camera Link HS se décline également en version optique pour une portée jusqu'à 300 mètres et au-delà. Là encore, tout est une question de compromis entre le coût et la performance. «Au jeu du compromis, le standard USB 3.0 Vision a des arguments à faire valoir, puisqu'il est compatible avec des débits de données équivalents à ceux avec lesquels jongle le standard Camera Link pour un coût similaire à celui d'une solution IEEE 1394b ou GigEVision, c'est-à-dire 3 à 4 fois moins élevé que le tarif d'une solution Camera Link », argumente Steven Chen, responsable produits chez Cypress Semiconductor, un fabricant de semiconducteurs impliqué dans les applications de vision industrielle.

La vision 3D fait son chemin

Ces nouvelles performances ouvrent également la voie à de nouvelles solutions de vision industrielle. Ainsi, après les caméras intelligentes compactes, sont apparues il y a quelques années des solutions de vision industrielle 3D, une technologie qui trouve peu à peu sa place dans l'industrie. « Compte tenu de leurs caractéristiques, certaines applications ne pouvaient recourir à des solutions de vision industrielle… jusqu'à ce que la 3D ne lève l'obstacle », se remémore Alain Duflo (Cognex Europe). « C'est notamment le cas de la lecture et du contrôle de caractères inscrits sur les pneumatiques qui, compte tenu d'un très faible contraste (caractères noirs sur fond noir), ne pouvait se résoudre que par une détection du relief formé par les inscriptions moulées en même temps que le pneu,et donc que par l'emploi d'une solution 3D » , poursuit-il. Les capteurs 3D de Cognex de la gamme DS1000, par exemple, reposent sur la triangulation laser et un traitement logiciel avancé pour extraire les informations 3D des pieces lues et ainsi reconstituer une image en relief. On le voit ici, le logiciel revêt une importance capitale dans la vision industrielle, qu'elle soit 3D ou non ( voir notre article paru en février 2014 dans le numéro 862 de Mesures, page 42 ). Car c'est le logiciel qui permet d'adapter la solution de vision aux exigences d'une application donnée et aux variations de l'environnement de production. La complexité des systèmes de vision allant croissant et la puissance de calcul augmentant encore et encore, les logiciels permettent de mettre plus facilement en place certaines fonctions d'analyse d'images complexes. «A caractéristiques matérielles équivalentes, deux systèmes de vision distincts peuvent ne pas offrir les mêmes performances globales si l'un des deux ne dispose pas d'outils logiciels suffisamment performants », as-sure Alain Duflot (Cognex Europe). Car un logiciel ne se limite pas à un ensemble d'algorithmes de traitement d'images. Articuler cet ensemble de fonctions en une application exploitable nécessite souvent un minimum de développement, et toujours du paramétrage. « Un système de reconnaissance de forme clés en main n'existe pas : il faut créer le code spécifique », explique Antonin Goude, ingénieur responsable produit pour les systèmes embarqués de National Instruments. Le salonVision, qui s'est déroulé début no-vembre à Stuttgart,a été l'occasion de découvrir de multiples nouveautés mettant en lumière les tendances évoquées ici. Nous vous proposons d'en découvrir dix parmi les plus marquantes de cette manifestation, dans notre article de la page 32.