CAPITOLO 5 57
5.
Tecniche e strumentazioni sperimentali
Per effettuare le rilevazioni sono stati utilizzati diversi componenti. Lo schema
seguente comprende tutti i principali elementi delle varie configurazioni utilizzate per la sperimentazione:
• il sistema di illuminazione; • l'ottica e la telecamera;
• il sistema di acquisizione e di elaborazione dell'immagine; • le interfacce uomo-macchina;
• le interfacce con l'ambiente esterno.
Le parti da ispezionare vengono posizionate di fronte a una o più telecamere ed illuminati in modo appropriato, in modo cioè da evidenziare il più possibile le caratteristiche da individuare. Il sistema ottico crea un'immagine sul sensore della telecamera che produce un segnale elettrico in uscita.
L'immagine, catturata e digitalizzata dal frame grabber presente sul sistema di acquisizione, ovvero resa "comprensibile" ad un calcolatore [1], potrà quindi essere elaborata con un apposito software in grado di individuare le caratteristiche dell'immagine e amplificarne alcuni aspetti.
La configurazione di base comprende un PC corredato da una scheda per l'acquisizione delle immagini e per l'elaborazione grafica. È comunque possibile adoperare potenti sistemi di calcolo parallelo, in grado di acquisire immagini ad alta risoluzione da diverse telecamere in contemporanea e di elaborare i risultati dell'analisi in pochi millesimi di secondo in modo da poter gestire un eventuale processo produttivo in tempo reale.
Le analisi sperimentali sono state effettuate nel laboratorio di Visione Artificiale presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa.
Le prove sono state eseguite inserendo la strumentazione all’interno di una cella di analisi strutturata che ha permesso un buon isolamento del sistema dall’ambiente esterno, evitando in tal modo l’influenza di luce naturale o artificiale non desiderata (fig. 5.1).
Le sorgenti di luce adoperate per la sperimentazione sono: un laser di frequenza 560 nm (rosso) e potenza 6 mW; un led (bianco o verde)con potenza di 1 mW. Il recettore del segnale luminoso è una telecamera industriale monocromatica CCD da ½” analogica con risoluzione pari a 768x576 pixel. L’apparato optoelettronico è stato fissato su una piattaforma rigida in alluminio, appositamente realizzata per lo studio in questione, dotata di supporti adeguati per la scrupolosa1 regolazione separata degli angoli di
inclinazione della fonte luminosa e della camera.
A parità di condizioni del campione in esame, delle interfacce e del sistema di acquisizione e di elaborazione, le principali caratteristiche che distinguono le varie tecniche sono:
1. il sistema di illuminazione; 2. il campione in esame;
1 Difficoltà di collimazione del raggio riflesso con l’immagine della luce diffusa all’interno dello strato superiore
semitrasparente della superficie. È necessario che venga prima fissato il fascio laser all’angolo predefinito, poi regolare manualmente la camera in direzione del raggio riflesso.
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3. l’ottica;
4. il posizionamento della telecamera.
Si fa ora una carrellata di tutte le tecniche sperimentate per la rilevazione superficiale.
5.1.
Tecnica n°1
Sistema di illuminazione Led
Oggetto esaminato Granito nero e verde
Posizione della telecamera Dall’alto
Ottica Standard
Il sistema di illuminazione con led a luce radente permette di evidenziare difetti superficiali come rigature, piccoli fori ecc…. come evidenziato in figura 5.2.
5.2.
Tecnica n°2
Sistema di illuminazione Laser
Oggetto esaminato Marmo di Carrara
Posizione della telecamera Dall’alto
Ottica Telecentrico
L’utilizzo di questa tecnica ha evidenziato alcuni problemi. Infatti la chiazza di luce ripresa varia al variare:
• delle venature del materiale (fig. 5.3);
• del tipo di materiale;
Questa tecnica è sconsigliata per l’identificazione delle caratteristiche superficiali dei lapidei a causa di innumerevoli disturbi che non consentono un analisi chiara ed esaustiva.
5.3.
Tecnica n°3
Sistema di illuminazione Led
Oggetto esaminato Marmo e granito
Posizione della telecamera Speculare
Ottica Telecentrico
Questa configurazione non permette di realizzare una scala di brillantezza al variare della rugosità. I problemi riscontrati sono essenzialmente due:
Figura 5.3: Variazione della forma della chiazza di luce sulla venatura della piastrella.
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• Bassa potenza del led;
• Non perfetta coerenza del fascio luminoso.
Questa configurazione non consente di ottenere informazioni adeguate.
5.4.
Tecnica n°4
Sistema di illuminazione Laser
Oggetto esaminato Marmo di Carrara
Posizione della telecamera Speculare
Ottica Telecentrico
In questa configurazione sono state realizzate tre prove differenti:
1. angolo di incidenza del laser differente rispetto a quello dello telecamera (fig 5.4);
2. anglo di incidenza del laser speculare all’angolo di rilevamento della telecamera; 3. anglo di incidenza del laser speculare all’angolo di rilevamento della telecamera
e con l’applicazione di un filtro.
Il primo non ha portato a grandi risultati. Nell’immagine si evidenziano 2 chiazze di luce, una dovuta alla riflessione, l’altra presumibilmente alla diffusione. Al momento
non si è trovata nessuna relazione che leghi queste chiazze alla lucentezza della mattonella. Se ne riporta un’immagine a titolo di esempio (fig 5.4).
I risultati più interessanti sono stati trovati nella seconda (fig 5.5) e terza configurazione, anche se quella senza filtro consente le analisi fino alla saturazione del sensore che avviene per angoli di incidenza maggiori di 50° (fig 5.6).
La configurazione migliore è risultata quella con angolo di incidenza del laser (con filtro) uguale a quello di rilevamento della telecamera. Essa consente, mediante un’ accurata analisi dell’immagine, l’analisi delle caratteristiche di brillantezza della pietra. Lo studio consta di quattro fasi:
1. studio teorico della tecnica da applicare;
2. acquisizione delle immagini effettuate con angoli speculari di 10°, 20°, 30°, 40° , 50°, 60°, 70°, 80°e 85° su mattonelle in marmo di Carrara;
3. elaborazione delle immagini per determinare l’angolo di riflessione ideale (proprio di ogni materiale) cioè quello su cui poi approfondire lo studio;
4. acquisizione di immagini prelevate su campioni di mattonelle con rugosità diverse (solo sull’angolo ricavato nel punto due);
Figura 5.4
Figura 5.5 : Angolo di incidenza del laser speculare alla
telecamera con angolo inferiore a 50° Figura 5.6 : Angolo di incidenza del laser speculare alla telecamera con saturazione del sensore per angoli superiori a 50°
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5. elaborazione delle immagini che ci permettano di poter risalire alla qualità superficiale della piastrella.
5.4.1. Prima fase
La misura dell’energia riflessa da una superficie piana consente di valutare la qualità superficiale e, quindi, la riflettività della superficie stessa.
Dalle leggi della riflessione (legge di Snell) si determina che la radiazione incidente su una superficie S ad angolo α è riflessa con un angolo di riflessione uguale.
Pertanto la distribuzione spaziale della radiazione incidente, in caso di superficie perfettamente riflettente e piana, deve rimanere inalterata dopo la riflessione. Il rapporto dell’integrale dell’intensità incidente, calcolato tra il minimo angolo (α) d’incidenza e il massimo, con l’integrale dell’intensità riflessa dalla superficie calcolato tra gli stessi estremi deve tendere ad 1.
Nel grafico di figura 5.7 sono rappresentate due funzioni. Una rappresenta l’intensità di luce incidente (linea nera), l’altra l’intensità di luce riflessa dallo specchio (linea rossa). Nel caso ideale le due curve dovrebbero coincidere.
Allo scopo di valutare la qualità superficiale delle mattonelle lucidate, è stato messo a punto un sistema sperimentale (Measurement of Polished Marble Surface Gloss using Optoelectronics and Computer Vision Systems), da ora in poi denominato riflettometro, che consente di identificare la quantità di luce diffusa e riflessa ai diversi angoli (fig. 5.8).
5.4.2. Seconda fase
Le acquisizioni effettuate con angoli speculari da 10° ad 80°, ad intervalli di 10°, e 85° (su piastrelle in marmo di Carrara e su uno specchio con il 99,7% di riflessione) hanno imposto la realizzazione di una struttura versatile, ma allo stesso tempo precisa.
Per ogni singolo angolo le immagini acquisite sono state sette:
la prima per la verifica della messa a fuoco e dimensionamento del campo inquadrato
la seconda cattura l’immagine del fascio riflesso dallo specchio sul sensore (riferimento per il confronto delle rimanenti cinque).
Le ultime cinque rappresentano le immagini del fascio riflesso dalla piastrella sul sensore in cinque punti diversi,.
5.4.3. Terza fase
L’analisi delle immagini catturate è la parte più delicata di tutto lo studio.Poichè in questa fase si evidenziano tutte le imperfezioni della fase precedente:
1. messa a fuoco non perfetta;
2. presenza di luce esterna indesiderata;
α α
laser Sensore
piastrella calcolator
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3. presenza di sporcizia sulle ottiche.
In questi casi si è provveduto alla riacquisizione delle immagini ed alla rielaborazione delle stesse.
5.4.4. Quarta fase
Una volta tracciato il grafico che mette l’angolo di incidenza del fascio in funzione della quantità di luce riflessa (speculare), bisognerà definire l’angolo ottimale su cui approfondire lo studio. Questa fase è ancora in via di sperimentazione.
Al momento è stata eseguita un’analisi approfondita per un angolo speculare di 10°. I campioni utilizzati sono stati preventivamente lavorati con materiale abrasivo e suddivisi a settori di rugosità differente. In particolare le suddette prove sono state eseguite analizzando superfici con Ra 0.02, 0.3, 1 e 2.
5.4.5. Quinta fase
Questa fase consente di ricavare il valore di G.U. della piastrella dal valore dell’intensità luminosa creata dal fascio sul sensore.
Da questo valore si risale quindi a quello della rugosità mediante un’analisi comparativa (sperimentale) o teorica (inserendo i valori dell’intensità luminosa all’interno della formula [1]).
