Sistemi di visione artificiale: la digitalizzazione dei processi d’ispezione visiva per il controllo della qualità dei prodotti nelle moderne linee automatizzate del food & beverage packaging

I sistemi di visione artificiale ampliano il campo sensoriale delle macchine automatiche e delle celle robotizzate, seguendo il trend di sviluppo tecnologico dello Smart Manufacturing nel paradigma di Industria 4.0.

La tecnologia della visione artificiale assume un ruolo fondamentale nelle soluzioni di automazione evoluta per il food & beverage packaging. Sostituisce i tradizionali metodi manuali per il controllo della qualità introducendo processi automatizzati che analizzano le immagini digitali computerizzate acquisite da telecamere per l’ispezione visiva dei prodotti lungo la filiera.

La visione artificiale nel food & beverage packaging

L’elaborazione computerizzata delle immagini acquisite dai dispositivi di visione artificiale fornisce le informazioni in formato digitale delle caratteristiche distintive dei prodotti analizzati, come i contorni, la forma, il colore e le dimensioni, oltre alla localizzazione della loro posizione nello spazio 2D-3D.

Questi dati digitali sono principalmente utilizzati per la verifica della conformità e della sicurezza dei prodotti alimentari ispezionati e per il controllo della qualità nei processi produttivi, evidenziando eventuali difformità, parti mancanti e difetti.

I sistemi di visione vengono inoltre impiegati per la tracciabilità e il conteggio dei prodotti nella filiera, attraverso la lettura di codici 1D (Codici a Barre), 2D (codici Data Matrix e QR-Code) e il riconoscimento ottico dei caratteri alfanumerici (OCR).

Le elaborazioni digitali delle immagini acquisite dai sistemi di visione artificiale, forniscono inoltre un supporto efficace per la guida dei robot e delle macchine automatiche. In questo contesto le applicazioni tipiche sono le operazioni robotizzate di pick-and-place, bin picking, selezione e smistamento.

I vantaggi di un sistema di visione artificiale nel food & beverage packaging

L’applicazione della machine vision nel food & beverage packaging introduce i benefici dei processi automatizzati d’ispezione e controllo della qualità per la verifica di conformità dei prodotti, attraverso l’analisi computerizzata delle immagini acquisite, senza quindi un contatto diretto con gli alimenti. Nel caso venissero evidenziate difformità e difetti, l’informazione in formato digitale viene condivisa con i sistemi automatizzati della filiera, per scartare il prodotto ispezionato.

I sistemi di visione sono in grado di acquisire ed analizzare con velocità elevate le immagini dei prodotti da ispezionare in movimento su di un nastro trasportatore, mantenendo inalterato nel tempo lo standard di precisione e d’affidabilità delle verifiche eseguite in modo oggettivo.

Inoltre, i dispositivi di visione possono operare in condizioni ambientali ostili, in spazi ristretti e in prossimità del raggio d’azione di macchine automatiche, non accessibili ad un operatore umano, condividendo lungo la filiera i dati digitali estrapolati dalle immagini.

In questo contesto, i benefici della machine vision nelle moderne linee automatizzate del food & beverage packaging si traducono nell’ottimizzazione dell’efficienza degli impianti con l’aumento della produttività e della flessibilità, oltre ad innalzare gli standard di affidabilità del controllo qualitativo e della sicurezza alimentare. Diminuiscono quindi gli errori a favore del miglioramento della qualità dei prodotti e delle confezioni.

Caratteristiche della visione artificiale 2D e 3D per l’applicazione nel food & beverage packaging

In una moderna linea automatizzata per il food & beverage packaging, l’utilizzo di un sistema con tecnologia di visione artificiale 2D o 3D dipende dal tipo di applicazione o controllo da svolgere.

La visione artificiale 2D è adatta per controllare la conformità della grafica, dei colori, delle marcature e delle etichette su una confezione, verificandone l’integrità e il corretto posizionamento e allineamento; può inoltre leggere e verificare codici 1D, 2D e alfanumerici OCR. È in grado di rilevare la geometria dei contorni, misurare le dimensioni (lunghezza e larghezza), identificare la posizione e l’orientamento nello spazio bidimensionale di un prodotto, effettuando ispezioni per il controllo della qualità, mettendo in evidenza difetti di conformità, d’integrità e verificare parti mancanti.

Per un buon risultato delle immagini digitali acquisite dalla visione 2D, occorre che ci sia un forte contrasto tra il prodotto da ispezionare e lo sfondo. È quindi importante una illuminazione adeguata: diretta per le superfici opache e indiretta per quelle lucide.

La tecnologia di visione artificiale 3D è indicata per misurare altezze e volumi, analizzare le dimensioni e le forme di un prodotto, anche in condizioni di poco contrasto, evidenziando parti mancanti, difformità, difetti delle sagome e di assemblaggio delle confezioni. Piccole differenze di altezza di prodotti con la stessa sagoma, disposti in una confezione, possono essere discriminate dalle immagini acquisite dai sistemi di visione 3D.

La visione artificiale 3D è inoltre un supporto efficace per la guida dei robot, essendo in grado di localizzare con precisione la posizione e l’orientamento nello spazio tridimensionale dei prodotti da selezionare e manipolare.

I componenti di un sistema di visione artificiale

Un sistema di visione artificiale è composto da telecamere con differenti ottiche e sensori per l’acquisizione digitale delle immagini, apparati di illuminazione e da unità di calcolo con software e algoritmi specifici per l’image processing e il deep learning (apprendimento automatico per effettuare classificazioni direttamente su immagini).

In funzione dell’applicazione d’ispezione visiva lungo la filiera, le differenti tecnologie dei sensori delle telecamere permettono di acquisire immagini digitali sia nello spettro della luce visibile che al di fuori di esso, attraverso le frequenze dell’infrarosso, dell’ultravioletto o dei raggi X.

Le telecamere per i sistemi di visione artificiale

Le telecamere per applicazioni di visione artificiale in ambito industriale sono composte da un’ottica (con lente), un sensore d’immagine che converte la luce in segnali elettrici, un sistema elettronico di controllo e un’interfaccia di comunicazione con l’unità di calcolo per l’elaborazione delle immagini digitali acquisite.

Il sensore d’immagine delle telecamere è composto da elementi fotosensibili (pixel) che convertono la luce in segnali elettrici per generare l’immagine in formato digitale. In particolare, i sensori con tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sono adatti per applicazioni video ad alta velocità essendo in grado di acquisire fino a migliaia di frame per secondo.

I pixel fotosensibili del sensore possono essere disposti in una matrice rettangolare o lungo una linea singola; i primi sono applicati nelle telecamere matriciali, mentre i secondi nelle telecamere lineari.

Tecnologia di visione artificiale 2D con telecamere matriciali

La telecamera matriciale effettua l’acquisizione bidimensionale di immagini digitali, monocromatiche o a colori (con filtro RGB), nell’area del campo di ripresa definita dall’ottica insieme al formato del sensore a matrice di pixel. La risoluzione può raggiungere l’ordine dei megapixel.

Questa tecnologia si presta per esaminare prodotti, o parti di essi, le cui dimensioni sono contenute nell’area del campo visivo della telecamera e che devono essere controllati singolarmente. Le telecamere matriciali possono acquisire immagini di oggetti che scorrono ad alta velocità su nastri trasportatori e hanno risoluzioni video che permettono di rilevare anche i difetti più piccoli.

Tecnologia di visione artificiale 2D con telecamere lineari

La telecamera lineare acquisisce immagini digitali bidimensionali, monocromatiche o a colori, catturando una linea alla volta con un processo di scansione. Per costruire l’immagine, occorre quindi che l’oggetto ripreso scorra rispetto alla telecamera o viceversa.

Le telecamere lineari sono adatte per acquisire immagini di prodotti in movimento continuo, soddisfacendo i requisiti di ispezione che richiedono un’alta risoluzione. Sono inoltre adatte per applicazioni in spazi ristretti, ad esempio quando occorre acquisire le immagini della parte inferiore di un prodotto in movimento, attraverso lo spazio tra due rulli consecutivi di un trasportatore.

La tecnologia di acquisizione dell’immagine per scansione è applicata anche per ispezionare la grafica e le etichette su oggetti cilindrici come i barattoli. Roteando il barattolo davanti alla telecamera lineare, viene elaborata in 2D l’intera superficie, sviluppando l’immagine su un piano.

Tecnologia di visione 2D a infrarossi SWIR

Le telecamere matriciali e a scansione lineare con tecnologia a infrarossi SWIR (Short-wave Infrared) permette di effettuare ispezioni che non sarebbero possibili nello spettro della luce visibile all’occhio umano.

I sensori delle telecamere sensibili alle lunghezze d’onda degli infrarossi SWIR (comprese tra 900 nm e 2500 nm) permettono di individuare caratteristiche degli alimenti che assorbono o riflettono la radiazione SWIR in modo diverso, non percettibili nello spettro della luce visibile.

I sistemi di visione con questa tecnologia, analizzando le lunghezze d’onda IR riflesse dai prodotti illuminati dagli infrarossi, sono in grado di ispezionare e smistare frutta e verdura in base al loro contenuto di umidità, evidenziando ammaccature e difetti, oltre alla identificazione di corpi estranei mescolati con gli alimenti.

Sfruttando la caratteristica di una particolare lunghezza d’onda degli infrarossi, che viene fortemente assorbita dall’acqua (e quindi non viene riflessa), un’applicazione tipica di questa tecnologia consiste nell’individuare la presenza di piccoli corpi estranei, come residui di plastica, tra alimenti che contengono acqua. Illuminando il prodotto con gli infrarossi, la telecamera SWIR ricostruisce immagini dove l’alimento risulta scuro, mentre i corpi estranei in plastica o di altre sostanze che non assorbono acqua, appaiono chiari in quanto riflettono sul sensore la luce dell’infrarosso.

Tecnologia di visione artificiale 3D con triangolazione laser

L’applicazione di questa tecnologia necessita che ci sia un movimento relativo tra il sistema di acquisizione dell’immagine e l’oggetto da rilevare. È quindi indicata per generare l’immagine digitale 3D di un prodotto da ispezionare, che scorre su di un nastro trasportatore.

La tecnologia 3D a triangolazione laser utilizza una “lama” di luce laser, generalmente ortogonale alla direzione del movimento del prodotto da rilevare, ed una camera. Quando l’oggetto interseca il sottile fascio di luce, il laser ne “disegna” il profilo che viene acquisito dal sensore della camera. Mentre il prodotto si muove attraversando il fascio di luce laser, il sensore della camera acquisisce una serie di profili, che vengono estrapolati ed elaborati da appositi algoritmi per ricostruire l’immagine digitale 3D dell’oggetto scansionato.

I sistemi di visione a triangolazione laser possono raggiungere frequenze di acquisizione elevate permettendo di risolvere applicazioni ad alta velocità, elaborando immagini 3D accurate con risoluzioni che soddisfano i requisiti per effettuare misurazioni e per l’ispezione e controllo della qualità.

Tecnologia di visione artificiale 3D stereoscopica

La tecnologia stereoscopica permette di ricostruire un’immagine digitale 3D combinando due o più immagini 2D del soggetto, riprese da differenti posizioni. Il sistema di acquisizione è generalmente composto da due telecamere matriciali che riprendono la stessa scena da angolazioni diverse. È un sistema “snapshot” che non necessita un movimento relativo tra il dispositivo di acquisizione e l’oggetto da rilevare.

La tecnologia stereoscopica ricostruisce immagini 3D basandosi sul concetto di disparità: sovrapponendo la coppia di immagini acquisite dalle due telecamere, ogni oggetto della scena apparirà sdoppiato con una distanza o disparità che diminuisce con la lontananza della loro posizione dal punto di osservazione.

Viene quindi creata una mappa di disparità con algoritmi di stereo matching dalla quale viene generata la mappa delle altezze o profondità che permette di ricostruire l’immagine digitale 3D degli oggetti ripresi.

Con la visione artificiale stereoscopica è possibile ricostruire immagini 3D di oggetti statici o in movimento, con campi d’inquadratura di dimensioni sia modeste che estese, ma con un’accuratezza inferire rispetto alla triangolazione laser.