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ainiaVisión Artificial para el control de la calidad y la seguridad alimentaria

18 de noviembre de 2009

Ricardo Díaz ● [email protected] ● Dpto Instrumentación y Automática

JORNADA DE INNOVACIÓN EN LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA A TRAVÉS DE LA AUTOMATIZACIÓN Y ROBOTIZACIÓN DE PROCESOS

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Aplicación de la VISIÓN ARTIFICIAL en la industria alimentaria

• ¿Qué es la Visión Artificial?

• ¿Cuál es el principio de funcionamiento?

• ¿Qué elementos tiene un sistema de Visión Artificial?

• ¿Para qué sirve la Visión Artificial?

• Nuevas tecnologías de inspección

– La visión 3D

– Los rayos X

– La visión espectral

– La Imagen de Resonancia Magnética Nuclear

– La imagen ultrasónica

• Algunas aplicaciones de la Visión Artificial en Automatización y

Robotización en la Industria Alimentaria

• Conclusiones

ÍNDICE

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ADQUISICIÓN DE LA IMAGEN

PROCESAMIENTO Y

RECONOCIMIENTO

RESULTADO: IMAGEN DE

MANZANA ROJA

¿Qué es la Visión Artificial?

La visión artificial trata de simular el proceso del sentido de la visión de los seres

vivos, según el cual un objeto es captado mediante los receptores de la retina y

es transformado en impulsos nerviosos que son procesados por el cerebro.

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Consiste en la captación de imágenes en línea mediante cámaras basadas

en matrices de sensores sensibles a la luz (CCD ó CMOS), el posterior

tratamiento de las mismas mediante técnicas de análisis de imagen y la

actuación sobre el proceso (control de producto) o el producto (control de

calidad).

Las principales ventajas son la reducción de los costes del control de

calidad, el aumento de la producción, la inspección del 100% de la

producción, la reproducibilidad y el funcionamiento 24 horas al día sin

“cansancio”.

¿Cuál es el principio de funcionamiento?

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Los fotones son captados por una matriz de fotoreceptores que transforman

la intensidad lumínica en carga eléctrica, que va siendo transmitida a la fila

adyacente para su lectura. La carga analógica es digitalizada mediante un

conversor A/D (8 bits ⇒ 256 niveles)

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¿Qué elementos tiene un sistema de visión artificial?

Los elementos básicos de un sistema de visión artificial son:

• El sistema de iluminación (fluorescente, LED, polarizada, backligth, láser…)

• El sensor o cámara de captura de imagen (CMOS, CCD, InGaAs…)

• Tarjeta de captura de elevado ancho de banda (Firewire, CameraLINK,

GbEthernet...)

• Procesamiento de imagen (Procesador y algoritmos de pretratamiento y

filtrado de la imagen, de segmentación y reconocimiento de formas, de

extracción de descriptores y de clasificación)

• Sincronía con el proceso, para adquirir la imagen en el momento adecuado y

para actuar con el proceso o separar unidades defectuosas

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¿Para qué sirve la Visión Artificial?

• Automatizar procesos de control de calidad: detección de defectos y fallos

en materia prima, producto final o en el envases.

• Automatizar procesos de clasificación en base a la forma, tamaño o color en

materias primas muy variables.

• Automatizar procesos de producción: ajustar las condiciones de proceso en

base a variables medidas mediante análisis de imagen.

• Automatización de procesos de manipulación y envasado: extracción de

coordenadas para su posterior manipulación mediante robots.

• Automatizar procesos de detección de cuerpos extraños.

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Nuevas tecnologías de inspección: lo que el ojo no ve

• La visión 3D

• Los rayos X

• La visión espectral

• La Imagen de Resonancia Magnética Nuclear

• La imagen ultrasónica

a) Manzana en el visible

b) Imagen de rayos X

c) Imagen de MRI

d) Imagen NIR

e) Imagen termográfica

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Nuevas tecnologías de inspección: la visión 3D

• Un emisor láser es un dispositivo que genera un haz de luz coherente

monocromática de alta densidad.

• Mediante luz láser es posible medir la altura de los objetos. Para ello se coloca

el láser en un ángulo conocido con respecto al objeto a iluminar y a la cámara.

La distorsión del haz se correlaciona con la altura.

• Empleando luz estructurada es posible medir las coordenadas de cualquier

objeto con una adecuada iluminación: reconstrucción 3D, posición, tamaño,

textura…

Haz de luz láser

Cámara lineal

Óptica

Muestra

Variación en posición de la

muestra

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Nuevas tecnologías de inspección: los rayos X

• Radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de

impresionar películas fotográficas.

• La capacidad de absorción de rayos X de una sustancia es directamente

proporcional a su densidad y masa atómica.

• Se emplea para inspeccionar productos envasados y detectar materas

extrañas de mayor densidad (piedras, metales, PVC, cristal).

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Nuevas tecnologías de inspección: La visión espectral

• La visión espectral es una técnica que combina la visión artificial y la

espectroscopia del infrarrojo. Una óptica enfoca el objeto a medir y lo proyecta

sobre una rendija que restringe a imagen a una sola línea. A continuación, una

óptica espectrográfica difracta esa línea sobre el sensor matricial, que capta esa

línea descompuesta en diferentes longitudes de onda del espectro. Por tanto se

obtiene para cada instante de tiempo una imagen en la que un eje es espacial

(la línea captada) y otro es espectral (luz difractada por la óptica

espectrográfica).

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Nuevas tecnologías de inspección: la Imagen de Resonancia

Magnética Nuclear

• Técnica no invasiva que utiliza el fenómeno de la resonancia magnética para

obtener información sobre la estructura y composición del cuerpo a analizar.

Esta información es procesada y transformada en imágenes del interior de la

muestra.

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Nuevas tecnologías de inspección: la imagen ultrasónica

• Los ultrasonidos son ondas acústicas cuya frecuencia está por encima del

límite perceptible del oído humano, a partir de los 20. KHz.

• Se utilizan en numerosas aplicaciones industriales para medición de

distancias, caracterización interna de materiales y ensayos no destructivos.

• Para la generación de imágenes se utilizan arrays de transductores que se

pueden focalizar mediante ajustes en la fase de la señal.

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Algunas aplicaciones de la Visión Artificial en automatización y

Robotización en la Industria Alimentaria

Control de calidad:

• Detección de defectos en productos de origen agrícola: frutas, hortalizas,

cereales y frutos secos.

• Detección de fallos en el envasado/etiquetado.

Clasificación:

• Clasificación de fruta por calibre y color.

Automatización de procesos de producción:

• Control del proceso de mezcla de ingredientes estimando % y ajustando

dosificación.

• Control del horneado en panadería industrial según el grado de tostado.

Manipulación y envasado:

• Encajado automático de unidades mediante robots.

• Paletizado automático.

• Detección de cuerpos extraños:

• Detección de fragmentos de cristal en envases.

• Detección de materias extrañas en frutos secos.

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Envasado automático mediante robot

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Control de etiquetado y envasado

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Clasificación de zanahorias

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Clasificación de filetes de carne de

cerdo por color, grasa, distribución

magro/grasa, etc

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Inspección de frutos secos y

detección de materias extrañas

Control de proceso de

termoformado por termografía

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Clasificación de fruta pequeña y hortaliza (maíz, guisantes, bayas…)

eliminando defectos de color, forma y cuerpos extraños

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Clasificación de aceitunas de mesa mediante visión

artificial

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Conclusiones

• La Visión Artificial es una técnica de inspección rápida y no destructiva que

permite automatizar el control de calidad del 100% de la producción.

• Supone una reducción de los costes de control de calidad y minimiza el

envío de productos defectuosos a los clientes.

• Los costes de los sistemas de visión han disminuido drásticamente mientras

que las prestaciones han aumentado espectacularmente.

• Mediante técnicas avanzadas como la termografía o la visión espectral es

posible detectar defectos o propiedades que el sistema visual humano no

es capaz de percibir.

• La Visión Artificial es una herramienta para automatizar procesos de control,

supervisión, manipulación y robotización.

¡Gracias por su atención!

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