Révolutionner l'Industrie 4.0 : Comment la Vision par Ordinateur Propulse la Fabrication Intelligente

Dans cet article, nous abordons l'une des technologies les plus utilisées dans le secteur industriel liée à l'Industrie 4.0 : la vision par ordinateur. Cette technologie offre de nombreuses possibilités et permet de résoudre divers problèmes courants dans les usines de production.

Les techniques de vision par ordinateur sont en constante évolution grâce aux nouveaux capteurs plus performants et aux nouvelles méthodes de traitement d'image.

Nous allons détailler ce qu'est la vision par ordinateur, ses applications, ses types, l'apprentissage profond, le traitement d'image, l'importance de l'éclairage et les avantages qu'elle apporte aux processus et aux entreprises.

Qu'est-ce que la Vision par Ordinateur ?

La vision par ordinateur est l'une des technologies de plus en plus utilisées dans les usines. Les systèmes de vision acquièrent des informations de l'environnement sous forme d'images, qui peuvent être de nombreux types, les traitent et les analysent. Pour comprendre, on peut comparer cela à notre perception de l'environnement grâce à nos sens. Nos yeux captent l'information du monde qui nous entoure, et les systèmes de vision effectuent la même tâche pour numériser cette information afin qu'une machine puisse la traiter.

Pour obtenir ces images, on utilise des capteurs de différents types : caméras 2D, caméras hyperspectrales, caméras 3D, etc. Tous fournissent des informations sur l'environnement qui sont ensuite traitées pour extraire les données nécessaires.

Les systèmes de vision par ordinateur ne sont pas conçus comme des systèmes isolés sans lien avec le reste des éléments d'une usine, mais sont intégrés aux autres processus, recevant et envoyant des informations.

Applications de la Vision par Ordinateur

(vous pourriez aussi être intéressé par notre article « Sept applications de la vision par ordinateur »)
On peut imaginer de nombreux secteurs où la vision par ordinateur s'applique, pour des usages très variés. Cela est dû à la diversité des capteurs utilisés, qui permettent de couvrir de nombreux domaines de travail et secteurs industriels. Parmi les applications les plus remarquables : la métrologie, la détection de défauts sur pièces, la détection d'éléments intrusifs, la lecture de codes de différents types ou les systèmes de qualité.

Vision par Ordinateur pour la Détection de Défauts

C'est l'une des applications les plus connues. Une fois entraînés, les systèmes de vision par ordinateur sont capables de détecter des défauts. Ceux-ci peuvent aller de fissures métalliques, défauts de peinture, bavures, impressions incorrectes, et bien d'autres. La détection peut atteindre une précision inférieure à 0,05 mm. L'entraînement se fait en fournissant au système des images avec et sans défaut.

Vision par Ordinateur pour la Métrologie

Effectuer des mesures avec une précision au micron est possible grâce à la vision par ordinateur. Ces applications utilisent des équipements de métrologie laser ou des palpeurs.

Les avancées dans les équipements et capteurs permettent d'obtenir des images de qualité croissante. Ces systèmes sont donc utilisés pour de la métrologie de haute précision. On peut mesurer jusqu'au micron pour détecter des défauts sur une pièce spécifique.

Vision par Ordinateur pour la Détection d'Intrus

La diversité des capteurs permet aussi d'utiliser d'autres types d'images que les habituelles images RVB. Par exemple, les caméras hyperspectrales permettent de distinguer la composition des matériaux, ce qui fournit souvent des informations pertinentes. Cette technique est très utilisée dans l'agroalimentaire comme système de qualité. On peut ainsi différencier fruit et noyau, ou détecter des résidus de plastique ou d'autres intrus indésirables.

Vision par Ordinateur pour la Lecture de Codes

L'une des applications les plus connues des systèmes de vision est la reconnaissance ou lecture de codes.
Aujourd'hui, de nombreux systèmes reconnaissent toutes sortes de codes, permettant par exemple d'assurer la traçabilité dans de nombreux processus.

Vision par Ordinateur pour la Vérification d'Assemblage

Les assemblages sont de plus en plus complexes, avec plus de pièces ou de connexions. La vision par ordinateur permet de vérifier, étape par étape, que chaque pièce est en place, ou en fin de processus, que l'assemblage final est correct. Cette application est très utile pour l'assemblage de machines, d'équipements, de cartes électroniques ou de pré-assemblages complexes. Ces systèmes réduisent considérablement les temps de cycle et de ré-opération des opérations très complexes.

Vision par Ordinateur + Robotique pour le Bin Picking

Enfin, l'une des applications les plus demandées est la combinaison de robotique collaborative et de vision par ordinateur pour effectuer du bin picking de pièces en vrac. Les pièces sont désordonnées, il faut donc optimiser les trajectoires et détecter les coordonnées de préhension. Le robot a besoin d'aide pour identifier la pièce et sa position, afin de décider de la meilleure façon de la saisir.

Concernant la robotique, on parle de robotique adaptative, qui s'adapte à son environnement et agit intelligemment. Cela s'obtient en ajoutant des capteurs qui communiquent avec le robot et lui donnent des informations sur son environnement pour agir dans différents cas. Les systèmes de vision fournissent ce type d'informations aux robots pour agir, par exemple, face à des changements de position, des obstacles, ou la préhension de pièces en vrac.

Comme vous le voyez, les possibilités de la vision par ordinateur sont infinies, et chez ATRIA, nous avons mené à bien de nombreux projets dans ce domaine.

Avantages de la Vision par Ordinateur

Enfin, évoquons quelques avantages que la vision par ordinateur apporte aux processus de production.

• Un système de vision par ordinateur permet d'automatiser les tâches d'inspection répétitives.
• Un système de vision ne souffre pas de la fatigue et élimine le facteur subjectif dans l'inspection.
• Dans de nombreux cas, l'inspection à 100 % de la production peut être réalisée sans contact physique, dans des processus qui ne le permettraient pas autrement.
• Les coûts de reprise et de rebut sont réduits grâce à la détection précoce des pièces ou éléments défectueux dans le processus de production.
• L'automatisation permet de réduire le temps de cycle des opérations.
• La vision par ordinateur apporte des avantages opérationnels et de sécurité supplémentaires en réduisant la participation humaine dans le processus de fabrication.
• Protège les travailleurs des environnements dangereux.

Deep Learning et Étiquetage d'Images

La vision par ordinateur combinée au deep learning permet de développer des applications bien plus intelligentes, capables d'agir dans des situations très variables et d'apprendre de l'environnement. Les algorithmes de deep learning apprennent à partir des données acquises de leur environnement et en extraient les caractéristiques pour agir dans différentes situations, faire des classifications ou détecter des objets. Souvent, ces données sont des images obtenues par caméras. N'oubliez pas que pour créer les jeux de données dont ces algorithmes ont besoin pour s'entraîner, les capteurs utilisés pour créer ces échantillons sont très importants. Les données, ici les images, leur qualité de capture, leur étiquetage et leur filtrage ultérieurs sont vitaux pour le bon fonctionnement d'une application par deep learning.

Types de Vision par Ordinateur

Nous avons déjà mentionné qu'il existe différents types de capteurs utilisés dans les systèmes de vision par ordinateur. Voici les plus importants :

Vision 2D

On trouve d'abord les caméras matricielles 2D qui capturent des images en RVB (couleur) ou en niveaux de gris. Ces caméras produisent des images qui, traduites, sont des matrices divisées en pixels contenant l'information de couleur. Elles offrent de nombreuses possibilités et sont utilisées pour la reconnaissance de caractères, la métrologie, la lecture de codes ou l'inspection de défauts.

Vision Hyperspectrale

Les caméras hyperspectrales permettent de connaître la composition des matériaux par la mesure de la longueur d'onde. Ainsi, on peut détecter des intrus comme des pierres, du plastique, etc. Elles sont très utilisées dans le secteur alimentaire.

Thermographie

La thermographie est une autre technique de vision par ordinateur. Ces capteurs fournissent des informations sur la température d'échantillons ou de corps sous forme d'image, représentée par une échelle de couleurs donnant l'information de température. Elle s'utilise pour la détection de fuites ou de déséquilibres de charge.

Vision 3D

Enfin, les caméras 3D fournissent de l'information de profondeur. Il existe différents types de caméras 3D couvrant un large spectre d'applications. Elles sont utilisées pour la préhension de pièces ou la détection de défauts, entre autres.

En quoi Consiste le Traitement d'Image en Vision par Ordinateur ?

Le traitement des images obtenues par les capteurs est le mécanisme pour extraire l'information nécessaire d'une image numérique. Pour cela, il faut utiliser un logiciel spécifique qui effectue les processus nécessaires pour chaque type d'application sur l'image.

Il existe actuellement différents systèmes commerciaux ou caméras intelligentes disposant d'outils de traitement d'image. Souvent ces outils suffisent pour une application spécifique, mais parfois il faut développer un logiciel sur mesure offrant la versatilité nécessaire.

Après le traitement des images et une fois le résultat ou l'information nécessaire obtenu, cette information est renvoyée vers l'extérieur comme sortie du système (pour signaler des défauts, retourner un résultat de mesure ou donner des coordonnées au robot pour agir).

Importance de l'Éclairage en Vision par Ordinateur

En plus des capteurs qui capturent les données, les systèmes de vision utilisent des éléments auxiliaires qui améliorent la qualité des données obtenues et sont souvent cruciaux pour leur bon fonctionnement.

L'un de ces éléments les plus importants est l'éclairage. Inclure un système d'éclairage externe sert, dans de nombreux cas, à garantir que l'image est capturée correctement. Dans ce projet, par exemple, un éclairage spécifique a été utilisé pour obtenir correctement les images des pièces et sans reflets.

Il existe différents systèmes d'éclairage pour la vision par ordinateur selon le type de matériau à éclairer, la distance, le contre-jour et de nombreux autres paramètres. Parmi les plus utilisés : l'éclairage direct, indirect ou « backlight ». On peut aussi éclairer avec des LEDs, blanches ou rouges. Ce ne sont que quelques exemples qui doivent être étudiés pour chaque application spécifique, permettant d'obtenir des images exploitables pour notre processus.

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• Système automatique de nettoyage de cuvettes
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