Cách bảo vệ camera trước tác hại của môi trường xung quanh

Môi trường hoạt động không thuận lợi là trường hợp luôn luôn xảy ra đối với một hệ thống thị giác máy khi được triển khai trong thực tế. Điều này đòi hỏi các nhà thiết kế cần có phương án phù hợp để thích ứng hoặc đối phó nhằm bảo vệ hệ thống máy được chính xác, ổn đinh và bền bỉ.

Môi trường không thuận lợi có thể rất khác nhau nhưng nhìn chung chúng đều liên quan đến một hoặc nhiều điều kiện cản trở hoạt động, thậm chí có thể làm hỏng hệ thống thị giác. Hiện tượng phổ biến nhất là nhiệt độ khắc nghiệt, sốc và rung động, phải tiếp xúc với bụi bẩn, chất lỏng như nước,…

Ví dụ như trong chế biến và đóng gói thực phẩm, đồ uống, hệ thống thị giác gặp phải bụi từ bột mì, va đập từ các thùng chứa, đôi khi xảy ra phát nổ khi đang đổ đầy, gặp phải chất lỏng từ quá trình dọn rửa định kì, làm sạch thiết bị xử lý thực phẩm. Trong chế biến gỗ, các mối nguy hiểm xảy ra như rung động từ thiết bị, máy móc, bụi từ mùn cưa. Các hệ thống cảnh báo thời tiết hoạt động trong thời tiết khắc nghiệt như mưa, nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Các ứng dụng kiểm tra ngoài trời, camera được gắn trên ô tô phải đối mặt với thời tiết và rung động, còn một số ứng dụng dưới nước chịu thách thức bởi nước và áp suất.

Trước kia, cách xử lý ban đầu khi gặp môi trường khắc nghiệt thì sẽ coi phần cứng thị giác là loại dùng một lần và thay thế nó khi nó không còn hoạt động chính xác trong khoảng cho phép nữa. Tuy nhiên khi sử dụng cách này, người ta thường không sử dụng các thành phần có hiệu suất cao vì chi phí của chúng cao hơn. Do đó, việc sử dụng phần cứng thị giác dùng một lần làm giảm chất lượng của hình ảnh.

Sau đó, thay vì sử dụng cách trên, người ta sẽ xây dựng các vỏ bọc tùy chỉnh để bảo vệ phần cứng của hệ thống thị giác, kĩ thuật này thường được sử dụng khi chi phí thay thế của phần cứng dùng một lần cao.

Kiểm soát nhiệt độ

Đối với hầu hết các ứng dụng thị giác, các thách thức về nhiệt độ xoay quanh việc tản nhiệt tạo ra bên trong thiết bị. Môi trường ít khi gây lạnh để cản trở hoạt động của thiết bị nhưng chúng dễ nóng gây ra hỏng hóc thiết bị khi tản nhiệt kém hoặc không hiệu quả. Để đảm bảo tốt nhất, các thiết bị ddienj tử, đặc biệt là cảm biến hình ảnh nên được giữ ở nhiệt độ dưới 50 ° C.

Các phương pháp truyền thống để kiểm soát nhiệt độ bao gồm tản nhiệt và quạt. Các ứng dụng năng lượng cao liên quan đến laser hoặc lắp đặt trong môi trường nhiệt độ cao thậm chí có thể yêu cầu làm mát bằng nước. Sự lựa chọn cụ thể phụ thuộc nhiều vào việc cài đặt.

Tản nhiệt phù hợp với hầu hết các ứng dụng, miễn là có đủ không gian, tuy nhiên chúng có xu hướng cồng kềnh và đòi hỏi không gian trống xung quang chúng để xảy ra đối lưu. Đối với cảm biến hình ảnh, bản thân than máy có thể được thiết kế để hoạt động như một tấm tản nhiệt.

Tản nhiệt được sử dụng cùng quạt để cải thiện khả năng tản nhiệt hoặc chỉ riêng quạt có thể thwucj hiện thủ thật bằng cách luân chuyển không khí mát qua hệ thống. Tuy nhiên để tránh ô nhiễm bụi, quạt sẽ cần nguồn cung cấp không khí “sạch”, thường được tạo ra bằng cách hút không khí qua bộ lọc. Quạt có thể được cấu hình để hút gió, đưa không khí mát hơn bên ngoài vào trong vỏ, hoặc để hút khí, loại bỏ không khí nóng hơn từ bên trong vỏ. Nói chung, quạt hút sẽ mòn nhanh hơn, dẫn đến hỏng hóc sớm hơn.

Trong một số trường hợp, hệ thống có thể phải hoạt động trong môi trường không khí xung quanh quá ấm để tản nhiệt đầy đủ.  Khi đó hệ thống có thể yêu cầu các phương pháp thay thế như làm lạnh hoặc làm mát bằng nước.  Cũng có thể sử dụng làm mát bằng nhiệt điện của các thành phần cụ thể như bộ xử lý hoặc cảm biến hình ảnh.

Rung động và sốc

Rung là nguyên nhân hàng đầu gây ra một số hư hỏng, bao gồm thay đổi tiêu cự ống kính chụp ảnh, đọc sai ống kính khỏi máy ảnh, lệch quang học, thiết bị điện tử và các lỗi kết nối.  Sốc cũng có trong nhiều cơ sở lắp đặt - đặc biệt là trong máy móc tham gia vào chuyển động lặp đi lặp lại - và có thể gây ra những tác động tương tự.  Cả hai đều được giảm thiểu bằng cách sử dụng các kỹ thuật tương tự, trong đó phổ biến nhất là sử dụng vật liệu giảm chấn, vít khóa bổ sung và chất kết dính khóa ren.

Vật liệu giảm chấn có thể được sử dụng theo một số cách.  Nó có thể được đặt tại các điểm lắp đặt để giảm sự truyền sốc và rung động từ thiết bị này sang thiết bị khác.  Nó cũng có thể được sử dụng trong một không gian kín để hạn chế chuyển động của các đơn vị trong không gian đó.  Đối với thấu kính lấy nét, có sẵn loại mỡ giảm chấn đặc biệt để làm cho chuyển động lấy nét cứng hơn và ít có khả năng di chuyển.

Các vít khóa giúp ngăn chặn chuyển động của các phần tử hệ thống quang học dưới tác động của chấn động và rung động.  Chúng có thể đặc biệt hữu ích trong các hệ thống có tiêu điểm cố định hoặc trong một hệ thống chỉ thỉnh thoảng phải thay đổi.  Vít đặt có đầu bằng nylon có thể giữ chống va đập và rung nhẹ và có ưu điểm là không làm hại cơ chế lấy nét.  Ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt hơn, vít đặt điểm hình nón hoặc điểm khấc sẽ giữ tốt hơn nhưng sẽ làm ảnh hưởng đến các bộ phận chuyển động và sẽ khiến chuyển động lấy nét trở nên thô ráp hơn.  Các vít định vị như vậy được sử dụng tốt nhất với các ống kính không cần tái lấy nét thường xuyên.

Chất kết dính khóa ren giúp ngăn không cho ốc vít và những thứ tương tự bị lỏng trong quá trình rung và có thể được sử dụng trên hầu hết tất cả các loại khóa như vậy.  Với ống kính, có rất ít ốc vít để khóa cố định, nhưng có các vòng giữ để giữ ống kính trong thùng.  Các vòng này cũng có thể sử dụng chất kết dính khóa miễn là cẩn thận không để keo thừa làm hỏng ống kính.

Tiêu chuẩn của một số chất kết dính sử dụng

Nước và bụi bẩn

 Một số môi trường hơi, nước, chất hóa học, bụi bẩn trong công nghiệp

Tiếp xúc với nước hoặc các chất lỏng khác có thể tàn phá hệ thống hình ảnh bằng cách gây đoản mạch trong thiết bị điện tử, dẫn đến hỏng hóc thiết bị.  Chất lỏng cũng có thể gây hại cho thấu kính bằng cách làm hỏng lớp phủ hoặc tạo ra sự ngưng tụ có thể làm giảm độ phân giải và truyền ánh sáng.  Việc tránh tổn thương chất lỏng phụ thuộc vào nơi chất lỏng chảy ra.  Đối với chất lỏng có sự cố như mưa, chỉ cần làm chệch hướng chất lỏng có thể là biện pháp bảo vệ thích hợp.  Đối với trường hợp ngâm chìm, phun áp lực hoặc độ ẩm cao, có thể yêu cầu các vòng đệm kín nước.

Hai phương pháp chính để cung cấp vòng đệm kín nước là chất kết dính và miếng đệm.  Các chất kết dính, chẳng hạn như chất kết dính lưu hóa nhiệt độ phòng và silicone, tương đối dễ thi công và có thể được sử dụng trong không gian chật hẹp nhưng có thể gặp vấn đề về tính nhất quán và tay nghề.  Chúng cũng không thích hợp cho các mối nối có thể phải tháo dỡ định kỳ, chẳng hạn như kết nối ngàm ống kính với máy ảnh.  Trong những tình huống như vậy, các miếng đệm phải được sử dụng, mặc dù chúng có thể khó kết hợp vào không gian nhỏ.

Vòng đệm ít thay đổi liên quan đến tay nghề hơn so với chất kết dính. Dạng phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống hình ảnh là vòng chữ O silicon. Có thể sử dụng các vật liệu khác, nhưng vật liệu này phải có độ thấm nước rất ít nếu phải chịu ngâm nước sâu hoặc độ ẩm cao.  Bất kỳ độ ẩm nào lọt vào giữa các thấu kính của hệ thống hình ảnh có thể gây ra sương mù và giảm khả năng hiển thị trong suốt.

Tiếp xúc với vật chất dạng hạt trong hệ thống hình ảnh có các tác động tương tự như tiếp xúc với chất lỏng: đoản mạch và che khuất đường quang học.  Sự tích tụ hạt cũng có thể làm giảm hiệu quả của tản nhiệt và làm mát không khí bằng cách thêm một lớp cách nhiệt và nếu tác động đủ lực, có thể mài mòn bề mặt bên ngoài của hệ thống.  May mắn thay, các phương pháp tương tự được sử dụng để ngăn chặn sự xâm nhập của chất lỏng vào hệ thống sẽ ngăn chặn các hạt bụi.

Tuy nhiên, một phần của hệ thống hình ảnh khó bảo vệ khỏi các hạt bụi là bề mặt bên ngoài của ống kính.  Một rào cản quang học phẳng làm bằng vật liệu thích hợp có thể giúp cung cấp khả năng chống mài mòn, nhưng có thể làm được rất ít để ngăn vật liệu bám vào bề mặt và che khuất đường quang học.  Câu trả lời trong những tình huống như vậy là làm sạch bề mặt bên ngoài định kỳ.  Điều này có thể yêu cầu tháo rời hệ thống để truy cập vào bề mặt thấu kính, do đó làm tăng thêm chi phí bảo trì hệ thống.

Một lựa chọn mới trong cấu tạo ống kính cho phép làm sạch hệ thống hình ảnh bằng hệ thống phun áp lực.  Làm cho một hệ thống hình ảnh có thể làm sạch bằng áp suất cũng tương tự như làm cho nó không thấm nước với các vòng đệm chắc chắn.  Cung cấp một phương tiện cơ học để chuyển hướng phun áp lực ra khỏi con dấu để tránh ứng suất trực tiếp sẽ giúp đảm bảo con dấu chắc chắn hơn.

Ưu điểm của phương án này là bình xịt áp lực được sử dụng phổ biến để làm sạch các thiết bị và phương tiện công nghiệp.  Có thể làm sạch áp suất hệ thống hình ảnh do đó có thể đơn giản hóa việc bảo trì sau khi lắp đặt.  Nó chỉ đơn giản là được làm sạch với áp lực rửa cùng lúc với phần còn lại của thiết bị.

Các ống kính có thể làm sạch bằng áp suất đang trở nên có sẵn trên thị trường, loại bỏ nhu cầu của các nhà thiết kế hệ thống hình ảnh để tạo ra các giải pháp của riêng họ.

Tiêu chuẩn Bảo vệ Quốc tế (IP) (còn gọi là tiêu chuẩn Bảo vệ chống xâm nhập) phân loại mức độ bảo vệ mà một bộ phận có thể cung cấp để chống lại sự xâm nhập của các vật thể hoặc vật liệu lạ, chẳng hạn như chất rắn và chất lỏng. Định dạng xếp hạng IP bao gồm các chữ cái "IP" theo sau là hai số và đôi khi là một chữ cái tùy chọn.  Khi không có xếp hạng bảo vệ nào liên quan đến một tiêu chí nhất định, "X" đóng vai trò là trình giữ chỗ.  Số đầu tiên, từ 0 đến 6, biểu thị mức độ bảo vệ mà cụm lắp ráp cung cấp chống lại sự xâm nhập của các hạt rắn.  Số thứ hai, từ 0 đến 8, biểu thị mức độ bảo vệ mà cụm lắp ráp cung cấp chống lại sự xâm nhập của chất lỏng.  Phạm vi xâm nhập chất lỏng gần đây đã được mở rộng đến chín để bao gồm xếp hạng cho các ứng dụng rửa xuống áp suất cao, nhiệt độ cao.  Để đạt được xếp hạng chín yêu cầu thử nghiệm với vòi phun có áp suất ở nhiều góc độ khác nhau.

Cấp độ bảo vệ IP EN 60529

Mặc dù cách này đã cải thiện đáng kể khả năng bảo vệ nhưng nó cũng làm tăng kích thước của hệ thống thị giác, khiến nó trở nên không khả thi đối với các ứng dụng hạn chế về không gian. Vỏ ngoài cũng có xu hướng làm giảm hiệu suất quang học vì bề mặt quang học được thêm vào có thể làm biến dạng hình ảnh, thêm phản xạ không mong muốn, tạo ra ánh sáng đi lạc hướng và gây ra các vấn đề về chiếu sáng khác. Hơn nữa, công cụ bổ sung vào cũng làm tăng chi phí của hệ thống vỏ bọc tùy chỉnh.

Không có giải pháp nào là lý tưởng, vì vậy các nhà sản xuất camera và ống kính đang tiến tới phương pháp thứ ba: phát triển các thành phần thị giác máy có thể chịu được sự khắc nghiệt của môi trường. Cách xử lý này làm giảm chi phí và thời gian bảo trì bằng cách loại bỏ nhu cầu thay thế các bộ phận hỏng hóc liên tục hoặc xây dựng các vỏ bọc tùy chỉnh.

Việc xây dựng một hệ thống hình ảnh để tồn tại trong môi trường khắc nghiệt như vậy có thể rất khó. Mỗi điều kiện ảnh hưởng đến hệ thống một cách khác nhau và yêu cầu nhà thiết kế sử dụng cách tiếp cận phù hợp với môi trường cụ thể. Để giải quyết từng thách thức về môi trường, các nhà thiết kế có thể lựa chọn một số kĩ thuật tiêu chuẩn nêu trên.

Với sự ra đời của các sản phẩm chụp ảnh siêu bền, việc chụp ảnh môi trường khắc nghiệt đang tìm ra những ứng dụng mới.  Thị giác máy đã được triển khai thành công trong việc kiểm tra bao bì thực phẩm cũng như trong máy thu hoạch cây trồng, máy móc xây dựng công nghiệp như xe ben và cần cẩu, hệ thống hướng dẫn ô tô tiêu dùng, máy móc robot không người lái, thiết bị sinh vật biển và nghiên cứu khoa học đời sống.

Ví dụ, trên một dây chuyền chế biến thực phẩm ăn nhẹ, một hệ thống hình ảnh trong môi trường khắc nghiệt được sử dụng kết hợp với camera cấp bảng để phát hiện xem các gói có được niêm phong đúng cách hay không, thay thế cho việc kiểm tra thủ công. Khi hoạt động, máy ảnh sẽ gửi hình ảnh của gói hàng đến một bộ xử lý trung tâm sử dụng các thuật toán đặc biệt để xác định xem gói hàng có được niêm phong hay không. Ống kính cung cấp khả năng phát hiện hình ảnh đáng tin cậy của các gói hàng thông qua một đám mây bột và các hạt khác. Ngoài ra, hệ thống có thể chịu được áp lực rửa cao vào cuối mỗi ngày để loại bỏ bột bám trên thiết bị.

Trong một ứng dụng thu hoạch, một cụm máy ảnh / ống kính gắn trên máy chặt bắp sẽ gửi hình ảnh đến màn hình trong cabin, cung cấp cho người nông dân một cái nhìn rõ ràng về khu vực xung quanh chiếc máy cắt dài 50 ft, giúp anh ta tránh va vào người  hoặc chướng ngại vật trên thực địa. Việc sử dụng hệ thống thị giác máy giúp cải thiện đáng kể sự an toàn và hiệu quả so với việc người lái xe quan sát bằng mắt thường.  Hệ thống hình ảnh môi trường khắc nghiệt hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện bụi, bẩn, thời tiết và nhiệt độ khắc nghiệt của môi trường trang trại và nó vẫn tồn tại được khi rửa ở áp suất cao vào cuối ngày.

Hình ảnh môi trường khắc nghiệt cũng đã tìm thấy một ngôi nhà trên thiết bị xây dựng để cung cấp cho người lái xe một cái nhìn rõ ràng về khu vực phía trước máy móc.  Những chiếc máy này thường nằm trên cao và người lái khó nhìn thấy người và vật thể ngay phía trước xe.  Hệ thống thị giác máy gửi hình ảnh đến màn hình trong cabin, giúp người lái xe tránh được tai nạn.  Ống kính cung cấp hình ảnh đáng tin cậy trong môi trường bụi bặm của một công trường xây dựng và nó có thể chịu được nhiệt, độ ẩm và thời tiết khắc nghiệt cũng như rửa trôi áp suất cao.

Chìa khóa của tất cả các ứng dụng thành công này là việc thiết kế hệ thống hình ảnh để chịu được các điều kiện thực tế.  Bằng cách tính đến nhiệt, độ rung, nước và bụi, các nhà thiết kế đang tạo ra các hệ thống có thể xử lý những điều tồi tệ nhất mà thực tế có thể gây ra cho họ.