La lettura di codici a barre e la lettura datamatrix su pezzi in movimento è uno dei problemi di illuminazione più complessi nella visione artificiale industriale. Il problema fondamentale è la sfocatura da movimento (motion blur): quando un codice a barre si sposta durante l’esposizione della telecamera, l’immagine delle sue barre e dei suoi spazi si sbava nella direzione del movimento. Tale sbavatura riduce il contrasto dei bordi tra barre e spazi. Al di sotto di un livello critico di contrasto, il decodificatore di codici a barre non può leggere il simbolo e il risultato è una mancata lettura che arresta la produzione o impone un ripristino manuale.
La soluzione consiste nel congelare il movimento otticamente, non meccanicamente. Ridurre il tempo di esposizione della telecamera fino al punto in cui il codice a barre si sposta meno di una piccola frazione della larghezza di una barra durante l’esposizione elimina la sfocatura da movimento visibile. Per un codice a barre che si muove alla velocità tipica di un nastro trasportatore con larghezze di barra tipiche, ciò richiede tempi di esposizione da 50 a 500 microsecondi. Con queste brevi esposizioni, l’illuminazione deve fornire un numero sufficiente di fotoni al sensore nel tempo disponibile. Gli illuminatori standard in modalità continua non possono fornire un’intensità adeguata per esposizioni così brevi. L’illuminazione stroboscopica pulsata rappresenta la risposta ingegneristica.
La fisica della sfocatura del movimento nella Lettura di Codici a Barre
La sfocatura da movimento è direttamente proporzionale al prodotto tra la velocità dell’oggetto e la durata dell’esposizione. Un codice a barre che si muove a 1 m/s con un tempo di esposizione di 1 ms si sposta di 1 mm durante l’esposizione. Se la larghezza di barra più stretta nel simbolo è di 0,5 mm, il codice a barre si è spostato di due larghezze di barra durante l’esposizione. Ciò produce una grave sbavatura e un sicuro fallimento della lettura.
Il limite di sfocatura accettabile per la lettura di codici a barre è solitamente definito come una frazione della larghezza minima della barra, nota come dimensione X. Gli standard ISO di qualità dei codici a barre stabiliscono i requisiti di contrasto dei bordi delle barre che un simbolo deve soddisfare per un determinato grado di qualità. La sfocatura da movimento riduce il contrasto dei bordi delle barre in proporzione al rapporto tra la distanza di sfocatura e la larghezza della barra. Per una lettura affidabile, la sfocatura da movimento deve rimanere al di sotto del 10%-20% della dimensione X.
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Calcolo del Tempo di Esposizione richiesto
Il tempo di esposizione richiesto deriva dalla velocità dell’oggetto, dalla dimensione X del codice a barre e dalla frazione di sfocatura consentita. Per un codice a barre con dimensione X di 0,33 mm che si muove a 0,5 m/s, la sfocatura consentita è compresa tra 0,033 e 0,066 mm (10-20% della dimensione X). Il tempo di esposizione richiesto è pari a 0,033 mm diviso per 500 mm/s, equivalente a un massimo di 66 microsecondi. Per un codice a barre su un nastro ad alta velocità che scorre a 2 m/s con la stessa dimensione X, il tempo di esposizione richiesto scende a 16 microsecondi.
Questi tempi di esposizione rientrano pienamente nelle capacità delle moderne telecamere per visione artificiale con sensori global shutter. La sfida risiede interamente sul fronte dell’illuminazione: fornire luce sufficiente per una corretta esposizione in 16-66 microsecondi richiede intensità di illuminazione da uno a due ordini di grandezza superiori a quelle fornite dagli illuminatori a LED standard in modalità continua.
Illuminazione stroboscopica: come l’intensità di picco compensa la breve esposizione
Gli illuminatori a LED possono funzionare in due modalità fondamentalmente diverse: modalità continua e modalità stroboscopica. In modalità continua, i LED sono pilotati a corrente costante e l’illuminatore produce un’emissione stabile e costante. La corrente continua massima è determinata dalla capacità termica dell’illuminatore e del suo dissipatore di calore. Superando tale corrente, la temperatura di giunzione del LED sale a livelli che degradano permanentemente le prestazioni del LED.
In modalità stroboscopica, i LED vengono pilotati a una corrente di picco molto più elevata per un impulso brevissimo, per poi essere spenti in modo che la giunzione possa raffreddarsi prima dell’impulso successivo. L’emissione ottica di picco durante l’impulso varia in base alla corrente di picco di pilotaggio e può risultare molte volte superiore all’emissione in modalità continua. Il ciclo di lavoro (il rapporto di lavoro, ossia la frazione di tempo in cui l’illuminatore è acceso) stabilisce la potenza media dissipata nei LED. Con un ciclo di lavoro ridotto, compreso tra l’1% e il 5%, la corrente di picco può superare da 10 a 50 volte la corrente continua senza oltrepassare il limite termico medio.
Durata dell’impulso e sincronizzazione
L’impulso stroboscopico deve essere sincronizzato con l’esposizione della telecamera. L’approccio standard utilizza l’uscita di trigger della telecamera per attivare l’impulso stroboscopico, impostando la durata dell’impulso in modo da farla coincidere con il tempo di esposizione della telecamera. L’illuminatore deve reagire rapidamente al segnale di trigger: il tempo di salita dall’ingresso di trigger alla piena emissione ottica deve essere inferiore al tempo di esposizione. Per esposizioni di 50 microsecondi, il tempo di salita deve rimanere al di sotto di pochi microsecondi.
Gli illuminatori delle serie DL5 e DL6 di RODER Vision sono progettati per il funzionamento stroboscopico con durate d’impulso estremamente brevi. I circuiti elettronici dei driver raggiungono tempi di salita inferiori a 2 microsecondi fino alla piena emissione di picco. L’ingresso di trigger per lo strobo accetta segnali logici sia a 5 V che a 24 V e si collega direttamente ai formati di uscita delle telecamere di visione artificiale e delle schede di acquisizione immagini standard.
Geometria dell’Illuminazione per la Lettura di Codici a Barre su Parti Mobili
La geometria dell’illuminazione influisce sulla leggibilità del codice a barre in diversi modi, al di là della semplice intensità. L’angolo di incidenza, l’uniformità sull’area del codice a barre e la relazione tra la direzione di illuminazione e l’orientamento del codice a barre influenzano la qualità dell’immagine decodificata.
Illuminazione Diretta per Codici a Barre Piatti su Superfici Opache
Per i codici a barre stampati su superfici opache o satinate come etichette di carta, scatole di cartone e plastiche non rivestite, l’illuminazione frontale diretta da un illuminatore a matrice di LED o da un illuminatore ad anello offre la massima intensità e il miglior contrasto. L’angolo di illuminazione dovrebbe essere compreso tra 30° e 60° rispetto all’asse della telecamera per evitare il riflesso speculare che si verifica con incidenza normale su superfici leggermente riflettenti. Un illuminatore ad anello centrato sull’asse della telecamera fornisce un’illuminazione frontale omnidirezionale indipendente dall’orientamento del codice a barre sull’etichetta.
Illuminazione Diffusa per Superfici Lucide e Riflettenti
I codici a barre su etichette lucide, supporti metallizzati e prodotti termoretraibili richiedono un’illuminazione diffusa per evitare i punti caldi speculari che saturano il sensore e nascondono le barre del codice a barre. Un illuminatore flat dome (cupola piatta) fornisce un’illuminazione diffusa da un ampio angolo solido, riprendendo il codice a barre attraverso l’apertura della cupola. La geometria diffusa elimina i riflessi speculari e garantisce un’immagine uniforme e leggibile del codice a barre anche su supporti altamente riflettenti.
Il compromesso dell’illuminazione diffusa riguarda l’intensità: gli illuminatori a cupola piatta distribuiscono la loro emissione ottica su un ampio angolo solido, fornendo una minore intensità sulla superficie del prodotto rispetto a un illuminatore diretto a parità di potenza elettrica. Per lavorazioni ad alta velocità su superfici riflettenti, è necessaria una combinazione di illuminazione diffusa moderata per il contrasto e un impulso stroboscopico molto breve per congelare il movimento.
Orientamento della barra e direzione dell’Illuminazione Diretta
Per i codici a barre lineari, la direzione di illuminazione rispetto all’orientamento delle barre definisce il contrasto dei bordi nell’immagine. L’illuminazione parallela alle barre (perpendicolare alla direzione di scansione) produce il massimo contrasto dei bordi ai confini delle barre. L’illuminazione perpendicolare alle barre (lungo la direzione di scansione) minimizza tale contrasto di bordo. In pratica, l’orientamento del codice a barre sul prodotto è solitamente fisso e la geometria di illuminazione viene progettata di conseguenza. Laddove l’orientamento del codice a barre sia variabile, si preferisce un illuminatore ad anello o una sorgente diffusa poiché entrambi sono indipendenti dall’orientamento del codice a barre.
Codici Datamatrix e 2D: Considerazioni Aggiuntive sull’Illuminazione.
I codici datamatrix, i codici QR e altre simbologie 2D sono sempre più utilizzati nella tracciabilità industriale poiché contengono più informazioni per unità di superficie rispetto ai codici a barre lineari e possono essere letti anche se parzialmente danneggiati. La dimensione della cella di un codice datamatrix stampato con densità industriali tipiche varia da 0,25 mm a 1 mm per cella. I requisiti di illuminazione equivalgono a quelli dei codici a barre lineari in termini di intensità e congelamento del movimento, ma la struttura 2D del codice aggiunge ulteriori vincoli.
I codici datamatrix vengono spesso marcati direttamente sulla superficie del pezzo tramite micropercussione, incisione laser o attacco chimico, anziché essere stampati su un’etichetta. Queste tecniche di marcatura diretta sui pezzi (DPM, Direct Part Marking) producono codici da leggere in condizioni di illuminazione molto diverse da quelle utilizzate per i codici a barre stampati. I codici marcati a micropercussione su superfici metalliche richiedono un’illuminazione direzionale ad un angolo specifico per creare contrasto tra i punti incisi e la superficie piana circostante. L’illuminazione ad anello a basso angolo o l’illuminazione coassiale costituiscono le tecniche standard per la lettura datamatrix DPM.
Linee guida pratiche per l’Illuminazione Stroboscopica nei sistemi di Lettura di Codici a Barre
Progettare un sistema di illuminazione stroboscopica per la lettura di codici a barre significa raccordare diversi parametri: tempo di esposizione, intensità di picco, distanza di lavoro dell’illuminatore, campo visivo e interfaccia di trigger.
Il tempo di esposizione viene impostato per primo, in base alla velocità della linea e al calcolo della dimensione X del codice a barre sopra descritto. L’irradianza superficiale richiesta viene calcolata a partire dal tempo di esposizione, dalla sensibilità del sensore della telecamera, dal rapporto focale dell’obiettivo e dal livello di grigio target negli spazi bianchi del codice a barre. L’illuminatore viene quindi scelto per erogare tale irradianza alla distanza di lavoro e alla dimensione del campo richieste. Le schede tecniche dei prodotti RODER Vision riportano i valori di irradianza di picco in modalità stroboscopica a distanze di lavoro definite, consentendo al progettista del sistema di verificare la fattibilità dell’irradianza richiesta prima dell’integrazione.
Prodotti e tecnologie
Famiglie di Illuminatori Roder Vision per la Lettura di Codici a Barre
Le famiglie di prodotti RODER Vision di seguito sono ottimizzate per la lettura di codici a barre e la lettura datamatrix ad alta velocità che richiedono illuminazione stroboscopica.
DL5 – Matrice di LED ad Alta Intensità
Massima intensità di picco in modalità stroboscopica. Progettato per la lettura di codici a barre ad alta velocità con tempi di esposizione fino a 10 microsecondi. Tempo di salita rapido. Multi-lunghezza d’onda inclusi rosso e bianco.
DL6 – Matrice di LED ad alta densità
Matrice ad alta densità con stabilità termica HTTM. Compatibile con gli strobo per la lettura di codici a barre e datamatrix. Formato grande per applicazioni di trasporto ad ampio raggio.
DC6 — High Density LED Ring
Illuminatore ad anello per la lettura di Codici a Barre su etichette di qualsiasi orientamento. Lunghezza d’Onda multipla. Compatibile con lo strobo. Opzione a bassa angolazione per la lettura di codici a barre DPM dot-peen su parti metalliche.
FD2 – Illuminatori LED a cupola piatta
Illuminazione a cupola piatta per la lettura di codici a barre su etichette lucide, metallizzate e termoretraibili. Elimina i punti caldi speculari. Compatibile con funzionamento stroboscopico per applicazioni di congelamento del movimento.
Domande frequenti
La sfocatura da movimento si verifica quando un codice a barre si sposta durante l’esposizione della telecamera, sbavando le barre e gli spazi nella direzione del movimento e riducendo il contrasto dei bordi al di sotto della soglia del decodificatore. Si elimina abbreviando l’esposizione in modo che il codice a barre si sposti meno del 10-20% della larghezza di una singola barra durante l’esposizione. L’esposizione più breve richiede un’intensità di illuminazione proporzionalmente maggiore, fornita da illuminatori a LED stroboscopici.
Dividere la distanza di sfocatura consentita per la velocità dell’oggetto. La sfocatura consentita è in genere pari al 10-20% della dimensione X del codice a barre (larghezza minima della barra). Per un codice a barre con dimensione X di 0,33 mm che si muove a 1 m/s, l’esposizione massima è di 0,033-0,066 mm diviso per 1000 mm/s, ovvero da 33 a 66 microsecondi. A velocità di linea superiori, il tempo di esposizione richiesto diminuisce in proporzione.
L’illuminazione stroboscopica pilota i LED a correnti di picco da 10 a 50 volte superiori al valore nominale continuo per impulsi brevissimi, producendo intensità ottiche di picco molto superiori a quelle che gli illuminatori continui possono sostenere. L’impulso breve abbinato all’elevata intensità di picco consente esposizioni della telecamera estremamente brevi che congelano il movimento pur fornendo luce sufficiente per una corretta esposizione del sensore.
I codici datamatrix marcati direttamente sul pezzo (DPM) su superfici metalliche richiedono un’illuminazione direzionale per creare contrasto tra i punti incisi e la superficie piana circostante. L’illuminazione ad anello ad angoli ridotti o l’illuminazione coassiale costituiscono le tecniche standard. L’angolo migliore dipende dalla profondità di marcatura e dalla rugosità superficiale del pezzo, pertanto sono solitamente necessarie prove con diversi angoli per ottimizzare il contrasto per la specifica marcatura e il substrato.
Sì, in molte applicazioni. Un illuminatore stroboscopico ad alta intensità attivato per la lettura di codici a barre a breve esposizione può funzionare anche a un’intensità inferiore o con un’esposizione più lunga per la verifica della stampa dell’etichetta e il rilevamento della presenza nella medesima stazione di ripresa. L’illuminatore viene attivato in modo differente per ciascun compito e il sistema di visione elabora i due tipi di immagine con algoritmi separati, riducendo il numero di illuminatori e stazioni di ripresa necessari.
Contatti e informazioni
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