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Revista Iberoamericana de Autom´ tica e Inform´ tica industrial 00 (2011) 1–12
a a www.elsevier.es/RIAI

Detecci´ n de Defectos en Carrocerás de Vehćulos Basado en Visi´ n Artificial:
o ı ı o
Dise˜ o e Implantaci´ n
n o

a e ´
Josep Torneroa , Leopoldo Armestoa , Marta C. Morab , Nicol´ s Mont´ sc , Alvaro Herr´ ezd , Jos´ Asensiod
a e
a Institutode Dise˜ o y Fabricaci´ n (IDF), Universidad Polit´ cnica de Valencia, C/Camino de Vera s/n, 46022 (Valencia)
n o e
b Departamento Ingenierá Mec´ nica y Construcci´ n, Universitat Jaume I, Av. Vicente Sos Bainat s/n, 12071 (Castell´ n de la Plana)
ı a o o
c Escuela Superior de Ense˜ anzas T´ cnicas, Universidad CEU Cardenal Herrera, Ed. Seminario 46113 (Moncada)
n e
d Planta de Pinturas, Ford Pol´gono Industrial s/n 46440 (Almussafes)
ı

Resumen
Este artćulo describe el dise˜ o e implementaci´ n de un novedoso sistema de inspecci´ n basado en visi´ n artificial para detectar
ı n o o o
defectos en carrocerás de vehćulos autom´ viles. El sistema ha sido implantado en la factorá Ford de Almussafes (Valencia)
ı ı o ı
como consecuencia de varios proyectos de I+D entre Ford Espa˜ a, S.A. y el Instituto de Dise˜ o y Fabricaci´ n de la Universidad
n n o
Polit´ cnica de Valencia que han derivado en dos patentes internacionales. El sistema se basa en la detecci´ n de defectos mediante un
e o
barrido de iluminaci´ n, estando el sistema de visi´ n fijo, al igual que el objeto a inspeccionar. Tras la adquisici´ n de las im´ genes,
o o o a
los defectos se detectan como consecuencia de las transiciones generadas por el barrido de iluminaci´ n al verse deformado el
o
patr´ n de reflexi´ n. La alta sensibilidad del sistema permite detectar defectos milim´ tricos de 0.2mm de di´ metro, gracias al efecto
o o e a
de amplificaci´ n causado por el propio barrido de iluminaci´ n. La principal innovaci´ n introducida por este proyecto industrial
o o o
reside en el hecho del que el sistema es capaz de detectar casi el 100 % de los defectos detectados mediante inspecci´ n humana.
o
Esto ha supuesto mejoras significativas en la reducci´ n del n´ mero de vehćulos rechazados, adem´ s de una reducci´ n del consumo
o u ı a o
energ´ tico, pintura utilizada, del menor impacto medioambiental y por supuesto una reducci´ n en los costes de producci´ n. El
e o o
sistema tambi´ n ha supuesto una mejora de las condiciones laborales de los trabajadores al reducirse los problemas como la fatiga
e
ocular. En la actualidad el sistema est´ siendo redise˜ ado para su implantaci´ n y explotaci´ n en otras factorás Ford a nivel mundial
a n o o ı
con varios modelos de vehćulos. Copyright c 2012 CEA. Publicado por Elsevier Espa˜ a, S.L. Todos los derechos reservados.
ı n
Palabras Clave: Automobile industry, Quality Control, visual pattern recognition.

1. Introducci´ n
o Tradicionalmente, los defectos se localizan, marcan y reparan
en una etapa posterior al proceso de pintado. En ocasiones, los
En una gran mayorá de sectores industriales, los productos
ı defectos son claramente visibles y detectables, como es el ca-
finales han de ser tratados con diferentes capas de pintura, sien- so de golpes y rayas, mientras que en otros casos, los defectos
do la calidad un aspecto especialmente cr´tico en la industria del
ı pueden ser en realidad peque˜ as partćulas muy difćiles de de-
n ı ı
autom´ vil. Los procesos de pintado autom´ tico se realizan nor-
o a tectar.
malmente de forma continua, con las carrocerás movi´ ndose a
ı e En algunos casos, la situaci´ n puede ser grave ya que la no
o
lo largo de la lńea de producci´ n de una estaci´ n a otra. Las
ı o o detecci´ n del defecto en factorá da lugar al rechazo del vehću-
o ı ı
capas de pintura se aplican de forma electroest´ tica bajo condi-
a lo por parte del cliente al no cumplirse las expectativas de ca-
ciones de temperatura, humedad y ausencia de polvo estricta- lidad. En consecuencia, la imagen de marca de la empresa y la
mente controladas. En este contexto, los defectos de pintura satisfacci´ n del cliente se ven dr´ sticamente afectados. No obs-
o a
o ´
aparecen como una inevitable variaci´ n de las condiciones opti- tante, aunque se detectara en fabrica, será necesario un nuevo
ı
mas de operaci´ n o causadas por polvo, agresiones ocasionales
o repintado del vehćulo. Adem´ s, la no detecci´ n de los defectos
ı a o
causadas por los propios trabajadores, etc. Los defectos son, en en los primeras etapas del proceso de pintado, supone un incre-
realidad, alteraciones en una capa en que crecen y se hacen m´ sa mento de costes por el mayor consumo de pintura y energá y ı
visibles conforme se aplican capas adicionales de pintura. su consecuente impacto medioambiental.
En la t´pica planta de pintura, el sellado y encerado se apli-
ı
Correos electr´ nicos: jtornero@isa.upv.es (Josep Tornero),
o can para proporcionar protecci´ n frente al agua, previniendo
o
leoaran@isa.upv.es (Leopoldo Armesto), mmora@emc.uji.es
(Marta C. Mora), nicolas.montes@uch.ceu.es (Nicol´ s Mont´ s)
a e
corrosiones prematuras de la carrocerá del vehćulo. La impor-
ı ı

Tornero et al. / Revista Iberoamericana de Autom´ tica e Inform´ tica industrial 00 (2011) 1–12
a a 2

tema est´ siendo redise˜ ado para su implantaci´ n y explotaci´ n
a n o o
en otras factorás Ford a nivel mundial. Remarcar que la aplica-
ı
bilidad de los resultados obtenidos podrán extenderse a la de-
ı
tecci´ n de otro tipo de productos tales como electrodom´ sticos,
o e
vagones, cascos de barco, elementos estructurales en aviones,
etc., con el adecuado redimensionamiento y reconfiguraci´ n. o
El artćulo se organiza de la siguiente manera: a continu-
ı
aci´ n se realiza un estado del arte sobre soluciones de inspec-
o
ci´ n propuestas hasta la fecha; en la Secci´ n 2 se presenta la
o o
metodologá de experimentaci´ n que nos ha llevado al dise˜ o e
ı o n
implementaci´ n del t´ nel de inspecci´ n, mientras que las Sec-
o u o
ciones 3 y 4 describen en detalle tanto los criterios de dise˜ o n
mec´ nicos del t´ nel como la algor´tmica utilizada en el proceso
a u ı
de detecci´ n, seguida de la Secci´ n 5 de resultados. El artćulo
o o ı
acaba con las t´picas secciones de conclusiones y referencias.
ı

1.1. Estado del Arte
Figura 1: Tunel de inspecci´ n de Ford en Almussafes (Espa˜ a).
o n
Esta secci´ n se plantea inicialmente como un estado del
o
arte de las pocas propuestas industriales existentes para la de-
tancia de este problema reside en el hecho de que la corrosi´ n o
tecci´ n autom´ tica de defectos en carrocerás de vehćulos au-
o a ı ı
´
constituye una forma de reducci´ n de la vida util del producto.
o
tom´ viles, con la discusi´ n de las patentes existentes y su dife-
o o
Hoy por hoy, la gran mayorá de factorás incorporan opera-
ı ı
renciaci´ n con respecto a la propuesta planteada en este artću-
o ı
rios expertos que inspeccionan el producto para detectar defec-
lo. Seguidamente, se estudian los trabajos de investigadores,
tos. No obstante, a partir de la selecci´ n y an´ lisis minucioso y
o a
que si bien no se tiene constancia de su aplicaci´ n industrial,
o
aleatorio fuera de lńea de los vehćulos, se ha podido constatar
ı ı
´
si que han supuesto interesantes aportaciones en este ambito.
que el 80 % de los defectos peque˜ os no son correctamente de-
n
La patente Imanishi et al. (1998) describe un aparato para
tectados. El principal motivo de esta tasa de fallo tan elevada se
la detecci´ n de defectos en vehćulos que utiliza un sistema de
o ı
debe sobretodo a la fatiga ocular que sufren los operarios.
sensores fotosensibles (c´ maras) para captar las variaciones de
a
Este artćulo describe el dise˜ o e implementaci´ n de un
ı n o
luz que genera un patr´ n en movimiento. En esta patente, la
o
novedoso sistema de inspecci´ n basado en visi´ n artificial para
o o
configuraci´ n de las c´ maras y tubos es distinta a la propues-
o a
detectar defectos en carrocerás de autom´ viles. El sistema ha
ı o
ta ya que las c´ maras est´ n por delante de los tubos de ilu-
a a
sido implantado en la factorá Ford de Almussafes (Valencia)
ı
minaci´ n, adem´ s de utilizar patrones para ocultar los reflejos
o a
como consecuencia de varios proyectos de I+D entre Ford Es-
de un sistema de iluminaci´ n difusa en forma de arco. Si bi-
o
pa˜ a, S.A. y el Instituto de Dise˜ o y Fabricaci´ n de la Universi-
n n o
en, la principal diferencia es el hecho de que para conseguir
dad Polit´ cnica de Valencia que ha derivado la patente interna-
e
´
los reflejos en toda la superficie del vehćulo, este debe estar
ı
cional Prior et al. (2010) explotada por la propia empresa. En la
en movimiento durante la captura de im´ genes, impidiendo de-
a
Figura 1 se muestra el aspecto del t´ nel de inspecci´ n dise˜ ado.
u o n
tectar microdefectos debido a las vibraciones ocasionadas por
El artćulo, adem´ s, describe los fundamentos cientifico-t´ cni-
ı a e
dicho movimiento. Como las c´ maras y las luces son fijas, los
a
cos en los que se fundamenta el t´ nel de inspecci´ n.
u o
defectos en las im´ genes se mueven y debe aplicarse comple-
a
El sistema se basa en el principio de detecci´ n de defectos
o
jos algoritmos de seguimiento de las sucesivas im´ genes para
a
mediante la generaci´ n de un barrido de iluminaci´ n, estando
o o
detectar el defecto.
el sistema de visi´ n (c´ maras) fijo, al igual que el vehćulo a
o a ı
La patente Alders et al. (2000) presenta un sistema de de-
inspeccionar. Tras la adquisici´ n de las im´ genes de barrido de
o a
tecci´ n de defectos en carrocerás antes del proceso de pintado
o ı
iluminaci´ n, se realiza un procesamiento que permite detectar y
o
utilizando t´ cnicas metrol´ gicas basadas en reconstrucci´ n 3D
e o o
clasificar defectos de hasta 0.2mm de di´ metro. La clave reside
a
de la carrocerá mediante la proyecci´ n de haces de luz laser
ı o
en el denominado efecto de amplificaci´ n como consecuencia
o
sobre la carrocerá captadas por c´ maras CCD.
ı a
de las sombras generadas en los alrededores del defecto aumen-
Asimismo, la patente Clarke (1990) describe un sistema de
tando el tama˜ o del reflejo en la superficie.
n
detecci´ n de defectos en superficies met´ licas o pl´ sticas como
o a a
La principal innovaci´ n introducida por este proyecto in-
o
resultado de la manipulaci´ n de los materiales, transporte, mon-
o
dustrial reside en el hecho de que el sistema es capaz de detectar
taje, pero en cualquier caso antes del proceso de pintado. En
casi el 100 % de los defectos detectados mediante inspecci´ n o
ambos casos, s´ lo se detectan los defectos de chapa que poste-
o
humana. El sistema es capaz de detectar defectos milim´ tri- e
riormente ser´ n visibles con el pintado y lacado de la carrocerá.
a ı
cos tanto en la parte superior (cap´ , techo y maletero) como
o
No obstante, esta patente muestra diferentes configuraciones en
en los laterales (aletas delanteras y traseras y puertas), cubrien-
las que una c´ mara puede estar ubicada en un brazo robot y el
a
do as´ las partes m´ s importantes de la carrocerá del vehćulo.
ı a ı ı
sistema de iluminaci´ n fijo o viceversa.
o
V´ anse los videos en IDF (2009) para una demostraci´ n visual
e o
´
Por otro lado, en el ambito de la investigaci´ n, las univer-
o
del sistema completo en funcionamiento. En la actualidad el sis-
sidades alemanas de Karlsruhe y Munich utilizan una t´ cnicae

a a 3

de reflexi´ n donde el objeto forma parte del sistema optico. La
o ´
visi´ n se centra en el patr´ n proyectado y no en la superficie.
o o
Esta t´ cnica se conoce como deflectometrá. Esta reproduce el
e ı
comportamiento del experto que examina la superficie, esto es,
observar y evaluar patrones conocidos en la superficie inspec-
cionada. Manejan distintos patrones de luz estructurada, aunque
no con objeto de hacer una reconstrucci´ n 3D, para la detecci´ n
o o
de defectos de curvatura local de planos cromados y para la
inspecci´ n de piezas de autom´ vil, Perard and Beyerer (1997);
o o Figura 2: Reflejo basado en tubo fluorescente de alta frecuencia sobre superficie
Leon and Kammel (2003), si bien en la actualidad trabajan en met´ lica especular y defecto marcado en rojo.
a
stereo-deflectometrá Balzer et al. (2011). En Kammel and Leon
ı
(2005a); Leon and Kammel (2006); Kammel and Puente Leon como campanas de Gauss de revoluci´ n, o concatenaci´ n de
o o
(2003) profundizan en la inspecci´ n de superficies estructuradas,
o estas, Seulin et al. (2002b); Seulin et al. (2002a); Li (2006);
concretamente membranas de sensores de presi´ n, y de super-o Azorń L´ pez (2007). Al ser un levantamiento de la superficie
ı o
ficies pintadas de autom´ vil mediante la fusi´ n de im´ genes
o o a pintada, los defectos tienen las mismas propiedades especulares
obtenidas de la reflexi´ n de diferentes iluminaciones en las su-
o que la superficie en la que se encuentran, reflejando la luz inci-
perficies, Kammel and Leon (2005b) dando como resultado la dente en ellos en la direcci´ n especular.
o
´
imagen con defectos. Por ultimo, en Kammel (2002) se desar-
rollan simulaciones que le permite obtener diversas configura-
2. Metodologá de experimentaci´ n
ı o
ciones del sistema de reflexi´ n. o
La investigaci´ n desarrollada en el laboratorio LE2I (Lab-
o Inicialmente se estudi´ el problema y se determinaron las
o
oratoire d’Electronique, d’Informatique et d’Image) de la Uni- variables que condicionaban el dise˜ o f´sico del sistema inspec-
n ı
versidad de Borgo˜ a utiliza un patr´ n din´ mico binario para
n o a ci´ n autom´ tica de carrocerás:
o a ı
la inspecci´ n de los defectos geom´ tricos Seulin et al. (2002b,
o e
2001). El sistema permite la detecci´ n de defectos en superfi-
o 1. Velocidad de la cadena de transporte: 100 mm/s.
cies no planas Aluze et al. (2002). Debido al sistema de ilumi- 2. Ancho m´ ximo de la zona a inspeccionar: 1700 mm.
a
naci´ n, patr´ n binario, cuando el defecto est´ en las proximida-
o o a 3. Tama˜ o del defecto tipo: 0.2 mm de di´ metro.
n a
o ´ ´
des de la transici´ n, este se ilumina donde el area ocupada es 4. Tiempo m´ ximo de inspecci´ n: 10s.
a o
la del tama˜ o del defecto. Esta t´ cnica funciona tanto, si el de-
n e 5. Tiempo de ciclo de la cadena: 20s.
fecto est´ en la franja binaria oscura, defecto iluminado, como
a
si el defecto est´ en la zona oscura, defecto oscuro. Tambi´ n
a e n´
En base a estas especificaciones, se dise˜ o el sistema de
est´ siendo utilizada para la inspecci´ n de supercifies transpar-
a o inspecci´ n, formado por tres subsistemas: adquisici´ n, ilumi-
o o
entes Martinez et al. (2010). En la misma lńea, en Seulin et
ı naci´ n y procesamiento para inspeccionar una parte espec´fica
o ı
al. (n.d.); Seulin et al. (2002a) proponen un simulador de ayu- de la carrocerá. En esta secci´ n se aborda la metodologá de
ı o ı
da para la concepci´ n de las condiciones de la adquisici´ n de
o o dise˜ o de los dos primeros subsistemas, junto con su estruc-
n
las im´ genes, en cuanto a los par´ metros de la iluminaci´ n que
a a o tura de soporte. Cabe destacar que uno de los mayores retos en
plantean: ancho de las franjas, cantidad de im´ genes en la se-
a este proyecto ha consistido en dise˜ ar un adecuado sistema de
n
cuencia, etc. El patr´ n din´ mico se desplaza sobre la pieza y las
o a ´
iluminaci´ n, clave para el exito del sistema de inspecci´ n pues
o o
im´ genes son fusionadas mediante la media aritm´ tica, dando
a e ha permitido simplificar considerablemente la fase de proce-
como resultado una imagen resultante con los defectos. samiento de im´ genes.
a
El dise˜ o de la iluminaci´ n y la configuraci´ n del sistema
n o o
´
optico adecuado permite realzar los defectos de las superficies 2.1. Predise˜ o del Sistema de Iluminaci´ n
n o
reflectantes, o reducir los efectos de las reflexiones especulares, El dise˜ o del subsistema de iluminaci´ n requerá de un es-
n o ı
por ejemplo a trav´ s de iluminaci´ n difusa, Kuhlmann (1995);
e o tudio de la reflexi´ n de la luz en las chapas met´ licas, realizado
o a
Li et al. (2005). Pernkopf and O’Leary (2003) nos muestran a partir de medidas de un lux´ metro. Debido a la capa externa
o
c´ mo en la inspecci´ n de productos met´ licos (en este caso del
o o a de laca que lo impregna, se constat´ que la respuesta a la luz de
o
acero), la elecci´ n de las condiciones establece la eficacia del
o este material es poco difusa y muy especular. La detecci´ n deo
sistema: determinan las caracter´sticas de los defectos que se
ı defectos se basa en conseguir que la iluminaci´ n incida sobre
o
pueden detectar, la naturaleza de la superficie y la resoluci´ n o el defecto de manera que permita distinguirlo n´tidamente.
ı
espacial requerida. Para ello, utilizan tres m´ todos de adquisi-
e Se procedi´ entonces a aplicar t´ cnicas de deflectometrá
o e ı
ci´ n, con diferentes condiciones, para formar im´ genes de in-
o a ´
optica estudiando con detenimiento la inspecci´ n realizada por
o
tensidad con distinta iluminaci´ n, Bright Field y Dark Field, y
o ´
los operarios expertos de la factorá Ford. Estos utilizaban tu-
ı
de rango, est´ reo fotom´ trico y l´ ser. Las peculiaridades de es-
e e a bos fluorescentes en la detecci´ n de defectos, analizando vi-
o
ta inspecci´ n dificultan el aprovechamiento de algunas t´ cnicas
o e sualmente la zona de la carrocerá en la que el tubo producá un
ı ı
de visi´ n artificial, tanto de adquisici´ n como de procesamien-
o o reflejo. En la Figura 2 se aprecian tres zonas diferenciadas en
to, orientadas a la extracci´ n de caracter´sticas de los defec-
o ı el reflejo de un tubo fluorescente de alta frecuencia sobre una
tos u objetos. El modelo m´ s utilizado es definir los defectos
a placa de prueba: a) zona de brillo m´ ximo, que se corresponde
a

a a 4

do
dr
f = 8[mm] f = 12[mm] f = 16[mm]
[mm] [mm] [px] [mm] [px] [mm] [px]
0,2 1,738 2 1,738 2 1,738 2
0,3 2,607 3 2,607 3 2,607 3
0,6 3,476 4 5,214 6 5,214 6

Tabla 1: Tama˜ o real (dr ) y observado (do ) de defectos, en mil´metros y p´xeles,
n ı ı
seg´ n la optica para R = 0,896 mm/px.
u ´

Figura 3: Efecto de amplificaci´ n en los bordes del ancho de haz. La lńea con-
o ı
tinua representa el caso de defectos de 0.2mm, mientras que la lńea discontinua
ı
es para defectos de 0.3mm.

con la proyecci´ n del tubo sobre la superficie pintada; b) zona
o
de transici´ n, debida a los reflejos que produce la luminaria del
o
´
tubo fluorescente; c) zona difusa, que es el area iluminada por
la luz ambiental y la iluminaci´ n difusa de la l´ mpara.
o a
Durante la experimentaci´ n, se constat´ que es en la zona de
o o
transici´ n donde los defectos se visualizan en mayor magnitud.
o
Este resultado tambi´ n se cita en la investigaci´ n desarrollada
e o
por el laboratorio LE2I Seulin et al. (2002b, 2001); Aluze et al.
Figura 4: Estructura porticada para experimentaci´ n.
o
(2002); Seulin et al. (n.d.); Seulin et al. (2002a), donde indi-
can que el defecto alcanza su tama˜ o m´ ximo en estas zonas.
n a En concreto, en la Tabla 1, para una resoluci´ n dada de
o
n´
Por tanto, se dise˜ o el sistema de inspecci´ n para que los tubos
o R = 0,896mm/px se ha obtenido valores de h = 1100mm para
fluorescentes barrieran toda la carrocerá dando lugar a un con-
ı f = 8mm, h = 1650mm para f = 12mm y h = 2200mm para
junto de im´ genes que se fusionan (superponen) para formar
a f = 16mm. Se observa que para, esta resoluci´ n, y en la may-
o
una imagen resultante los defectos amplificados. En la Figura orá de los casos se obtiene una relaci´ n constante en la ampli-
ı o
3 se muestra el tama˜ o de defecto medido medio en funci´ n
n o ficaci´ n de entorno a K = 9 veces entre el tama˜ o del defecto
o n
observado do y el real dr . Con ello, defectos del tama˜ o real
n
de la posici´ n de dicho defecto con respecto al haz reflejado
o
de entre 0,2mm y 0,3mm se observan en la imagen como de-
tanto para defectos de 0.2mm como 0.3mm. Se aprecia que el fectos con un tama˜ o observado entre 1,8mm y 2,7mm que se
n
defecto alcanza su valor m´ ximo observado cuando el haz re-
a corresponde con 2 o 3 p´xeles en la imagen. Si tenemos en cuen-
ı
flejado est´ en los bordes del defecto. Por la tipologá de los
a ı ta que el haz debe de envolver al defecto debemos seleccionar
microdefectos este efecto se puede modelar mediante dos gau- un tama˜ o de haz reflejado de al menos el doble del defecto
n
sianas, cuyo valores m´ ximos estan localizados en los bordes
a que se quiera medir. En nuestro caso, elegimos un tama˜ o den
del ancho de haz. Cabe remarcar que los valores obtenidos cor- unos n = 6 p´xeles que corresponde a una separaci´ n entre tu-
ı o
respondend a mediciones realizadas de forma visual con instru- bos de ilumnaci´ n y superficie de D = 800mm para tubos de
o
mentaci´ n adecuada para poder observar con mayor tama˜ o el
o n d = 16mm de di´ metro, para una altura h = 1100mm, seg´ n la
a u
defecto. Por tanto las mediciones son estimativas, y pueden no siguiente relaci´ n geom´ trica:
o e
ser concluyentes, si bien se trata de una pauta sistem´ tica.
a h+D h
Este efecto, se mantiene tambi´ n al combinar sucesivas im´ -
e a = (2)
d n·R·K
genes y realizar un barrido de iluminaci´ n. De hecho, con esta
o
n´
En base a los planteamientos anteriores, se dise˜ o y cons-
t´ cnica, se consigue detectar defectos de tama˜ o sub-p´xel. Tal
e n ı
truy´ un sistema experimental consistente en un robot carte-
o
y como muestran los resultados experimentales de la Tabla 1
siano (Figura 4), en el que el sistema de iluminaci´ n se com-
o
se detectan defectos de di´ metros 0,2 mm, 0,3 mm y 0,6 mm
a
poná de un array de tubos fluorescentes (inicialmente 2 tubos)
ı
(medidos con una lupa de precisi´ n). Esta resoluci´ n R se ha
o o
en desplazamiento a lo largo de la superficie.
mantenido constante en toda la experimentaci´ n relacionando
o
Previo a la experimentaci´ n, se realiz´ un estudio de las
o o
las alturas de las distintas c´ maras y con las distancias focales
a
tecnologás de adquisici´ n de im´ genes disponibles en el mer-
ı o a
´
de sus opticas:
cado, teniendo en cuenta diferentes aspectos tales como el tipo
R · f · CCDu(px) de transductor, la velocidad de adquisici´ n, la interfaz de co-
o
h= +f (1) ´
municaci´ n, la resoluci´ n por p´xel, la optica a utilizar y evi-
o o ı
CCDu(mm)
dentemente el precio. Se constat´ que las c´ maras CCD ofre-
o a
donde h es la altura de la c´ mara, f la distancia focal en mil´me-
a ı cen menor ruido intrńseco en la imagen que las CMOS a pesar
ı
tros, CCDu(mm) el tama˜ o del CDD en mil´metros en la direc-
n ı de su alta velocidad de adquisici´ n. As´ mismo, se prob´ con
o ı o
ci´ n de medida y CCDu(px) su tama˜ o en p´xeles en la imagen.
o n ı c´ maras con diferentes interfaces como Firewire, CameraLink
a

a a 5

´
o Gigabit Ethernet. Se constat´ que estas dos ultimas ofrecán
o ı mal de la superficie con objeto de evitar la auto-oclusi´ n gen-o
suficiente velocidad de adquisici´ n de 15fps para im´ genes de
o a erada por el sistema de iluminaci´ n tal y como se aprecia en
o
alta resoluci´ n, de lo contrario, el tiempo para realizar un barri-
o la Figura 5(a). Asumimos un modelo pin-hole tal que la posi-
do aumenta significativamente. Como consecuencia de este es- ci´ n del foco es (xc , yc ) y el campo de visi´ n viene dado por los
o o
tudio, para la experimentaci´ n se utiliz´ una c´ mara CCD Dol-
o o a angulos βu = 2 arctan(
´ CCDu (mm)/2
f ) y βv = 2 arctan( CCDv (mm)/2 ),
f
phin F145B con un sensor de 2/3” y una resoluci´ n 1392×1040.
o siendo CCDu (mm), CCDv (mm) el tama˜ o del CCD (seg´ n co-
n u
mo est´ orientada la c´ mara) y f la distancia focal. Por tanto, la
e a
inclinaci´ n la c´ mara γc , que garantiza la ausencia de oclusi´ n,
o a o
3. Configuraci´ n de C´ maras y Luces
o a es la mitad del campo de visi´ n βu m´ s un peque˜ o angulo γ
o a n ´
que permite evitar la auto-oclusi´ n del tubo de iluminaci´ n. La
o o
La soluci´ n industrial propuesta implica que la luz debe de
o posici´ n del foco viene determinada por el comienzo de la zona
o
pasar por delante o detr´ s de las c´ maras, generando para el
a a a inspeccionar y la separaci´ n de la c´ mara h con respecto a
o a
primer caso una oclusi´ n por los propios elementos de sujeci´ n
o o la superficie vendr´ dada por la zona m´ xima a inspeccionar,
a a
del tubo de iluminaci´ n, mientras que para el segundo caso la
o definida por rect´ ngulo con dimensiones w × l y centro (xo , yo )
a
c´ mara y sus elementos de sujecci´ n generan una sombra so-
a o la configuraci´ n de la c´ mara para el caso de una s´ la c´ mara
o a o a
bre la superficie. Como consecuencia, aparece una zona, en la es:
normal de la superficie, en la que no se tiene reflejo. Esto re- γ = arctan(r/hl ) (3)
presenta un problema fundamentalmente de tipo econ´ mico ya
o
h = m´ x ((w/2+ s)/(tan(βv /2)), (l+2s+(r/hl )h)/(tan(βu + γ))) (4)
a
que lo deseable es poder inspeccionar una zona con una unica ´
c´ mara dado que son extremadamente caras si consideramos
a xc = xo − l/2 − s − (r/hl )h (5)
todo el hardware y software asociado. As´ pues, se ha deter-
ı yc = yo (6)
minado inspeccionar las siguientes zonas: el cap´ , el techo, el
o γc = βu /2 + γ (7)
maletero, las aletas delanteras y traseras y las puertas puertas
siendo hl la altura del tubo de iluminaci´ n, r el radio envolvente
o
delanteras y traseras. Adem´ s, se debe tener en consideraci´ n
a o
de la estructura de iluminaci´ n y s es el margen adicionales
o
que la separaci´ n de la c´ mara con respecto a la superficie y
o a
que engranda la zona real de inspecci´ n. La ecuaci´ n (4) debe
o o
su inclinaci´ n afecta significativamente a la resoluci´ n, esto es,
o o
resolverse mediante un proceso iterativo, como por ejemplo el
el tama˜ o con el que se ven los defectos de un mismo tama˜ o
n n
m´ todo del punto fijo.
e
´
y que esta debe ser garantizada. Por tanto, una configuraci´ n o
Mediante esta configuraci´ n, podemos llegar a iluminar des-
o
inadecuada no s´ lo es aquella en la que aparece una oclusi´ n,
o o
de la posici´ n en la que el tubo de iluminaci´ n est´ en xl,0 =
o o a
si no que la resoluci´ n es insuficiente para garantizar detectar
o
xo − 2 − s + r, tal y como se aprecia en la Figura 5(a). En es-
l
defectos de la resoluci´ n requerida.
o
ta posici´ n, el reflejo del tubo sobre la superficie est´ justo al
o a
Con objeto de resolver el problema de configuraci´ n, re- o
comienzo de la zona a inspeccionar. Por otro lado, el tubo real-
marcamos el hecho de que nos encontramos ante un problema +h
iza un barrido de al menos Q = (l + 2s) hlh que permite que el
en el que se puede modificar la posici´ n 3D de las c´ maras en
o a
reflejo se genere justo al final de la zona a inspeccionar.
relaci´ n a la superficie a inspeccionar, si bien una de las coorde-
o
La curvatura del cap´ en la parte frontal impide que se pue-
o
nadas se selecciona de manera que la imagen est´ lo m´ s centra-
e a
da detectar defectos en esa zona salvo que se tengan en consi-
´
da posible, con lo que esta no formar´ parte de los par´ metros
a a
deraci´ n la colocaci´ n de m´ s c´ maras y consecuentemente de
o o a a
de dise˜ o. Por otro lado, de las tres orientaciones en el espacio
n
la iluminaci´ n asociada. Este tipo de planteamientos quedaron
o
3D normalmente dos de ellas son fijas, pues de lo contrario se
descartados por resultar inviables.
obtendrán im´ genes con peores resoluciones de forma innece-
ı a
saria. La tercera coordenada en la orientaci´ n, con respecto a la
o 3.2. Configuraci´ n con dos c´ maras
o a
normal de la superficie, permite modificar la perspectiva con la El techo y las puertas son las zonas m´ s cr´ticas a inspeccio-
a ı
que se observa dicha superficie. nar, pues cualquier defecto resulta muy visible, al igual que en
En los siguientes apartados se describen dos configuraciones el cap´ . Pero adem´ s, en este caso se requiere de dos c´ maras
o a a
concretas de c´ maras y luces. En una primera etapa aproxi-
a para poder inspeccionar las zonas, debido a su mayor tama˜ o, n
mamos las superficies de la carrocerá a planos tangentes a cada
ı lo que dificulta el posicionamiento de las c´ maras.
a
una de las zonas a inspeccionar, que nos proporciona un punto En este caso, la soluci´ n propuesta pasa por contraponer las
o
de partida para su posterior optimizaci´ n y validaci´ n mediante
o o c´ maras tal y como se muestra en la Figura 5(b). Cada zona a
a
herramientas CAD. Por tanto, los c´ lculos descritos son rela-
a inspeccionar se divide en dos, la parte trasera cuyas variables
tivos a los planos tangentes de cada zona, pudiendo de forma asociadas incluyen el subńdice 1 y la parte delantera con el
ı
arbitraria inclinar los planos con objeto de inspeccionar mejor subńdice 2. Concretamente, para el caso del techo, se divide en
ı
determinadas zonas de inter´ s, especialmente en el cap´ y del
e o dos, de forma que cada c´ mara ser´ al menos capaz de inspec-
a a
maletero. cionar la mitad del techo para cada una de las carrocerás. Esto
ı
implica calcular el centro geom´ trico y el tama˜ o de la zona a
e n
3.1. Configuraci´ n con una c´ mara
o a inspeccionar:
Esta configuraci´ n se aplica a cap´ , maletero y aletas, ya
o o xo1 = m´ x xo,i + li /2 + mń xo,i /2
a ı (8)
que presentan todas ellas una problem´ tica similar. En este ca-
a
so, la c´ mara debe posicionarse inclinada con respecto a la nor-
a l1 = m´ x xo,i + li /2 − mń xo,i
a ı (9)

a a 6

Figura 6: Monitorizaci´ n de los defectos en la zona de reparaci´ n.
o o

(a) Configuraci´ n con una c´ mara
o a
siendo (xc1 , yc1 ) la posici´ n de la c´ mara 1 con una inclinaci´ n
o a o
γc1 con respecto a la normal de la superficie y (xc2 , yc2 ) y γc2 las
correspondientes variables para la c´ mara 2.
a
Con objeto de evitar los problemas de la auto-oclusi´ n, las
o
c´ maras est´ n inclinadas (de forma contrapuesta) con respecto
a a
a la normal de la superficie, al igual que para el caso de una so-
la c´ mara. La principal diferencia reside en que ahora debemos
a
tener en consideraci´ n que el barrido de un tubo de iluminaci´ n,
o o
cuyo reflejo sirve para una de las c´ maras puede ocluir el refle-
a
jo de otro tubo en la imagen de la otra c´ mara. La soluci´ n
a o
propuesta a este problema pasa por la incorporaci´ n de m´ s tu-
o a
bos de iluminaci´ n de manera que debidamente sincronizados
o
(b) Configuraci´ n con dos c´ maras
o a los movimientos se generen reflejos como consecuencia de los
nuevos tubos, cubriendo as´ la zona a inspeccionar. Esta solu-
ı
Figura 5: Configuraci´ n de la c´ maras e iluminaci´ n.
o a o ci´ n tiene como principales ventajas que permite adem´ s re-
o a
ducir el tiempo del barrido, ya que el barrido efectivo se reparte
entre el n´ mero de tubos incorporados. Para ello, la soluci´ n
u o
xo2 = mń xo,i − li /2 + m´ x xo,i /2
ı a (10) pasa por decalar los tubos de iluminaci´ n consecutivos de for-
o
l2 = m´ x xo,i − mń xo,i − li /2
a ı (11) ma que la posici´ n final de un tubo est´ separada una distancia
o a
d = (xo,1 − l1 /2 − s + r) − (xo,2 + l2 /2 + s − r) con la posici´ n
o
siendo {xo,i , yo,i } el centro geom´ trico de cada una de las partes
e inicial del siguiente tubo, tal y como se aprecia en la Figura
del techo del vehćulo y {li } sus longitudes. Se asume que to-
ı 5(b). Este procedimiento se puede extender de forma iterativa
dos los vehćulos est´ n centrados sobre el eje longitudinal de la
ı a para incluir m´ s tubos de iluminaci´ n de forma que el recorri-
a o
lńea de producci´ n y por tanto yo1 = yo2 = yo,i . Para el caso
ı o do se acorta y consecuentemente el tiempo del barrido para una
de las puertas se puede obtener unas expresiones similares de misma velocidad.
manera que se garantice que la c´ mara 2 es capaz de inspeccio-
a
nar todas las posibles puertas delanteras y la c´ mara 1 es capaz
a
de inspeccionar todas las posibles puertas traseras. 4. o ´
Descripci´ n del Tunel de Inspecci´ n
o
Para obtener la configuraci´ n de cada una de las c´ maras se
o a
El t´ nel de inspecci´ n est´ compuesto por c´ maras de visi´ n
u o a a o
tiene una soluci´ n similar a las ecuaciones (3)-(7):
o
y arcos de iluminaci´ n para la detecci´ n de defectos en super-
o o
w/2 + s l1 + 2s + (r/hl )h1 ficies especulares. Cada arco de iluminaci´ n est´ formado por
o a
h1 = m´ x
a , (12)
tan(βv /2) tan(βu + γ) varios tubos de iluminaci´ n de alta frecuencia en forma octogo-
o
w/2 + s l2 + 2s + (r/hl )h2 nal. El barrido de iluminaci´ n permite iluminar toda la super-
o
h2 = m´ x
a , (13) ficie de inter´ s, estando las c´ maras y el objeto a inspeccionar
e a
tan(βv /2) tan(βu + γ)
xc1 = xo1 − l1 /2 − s − (r/hl )h1 (14) est´ ticos en todo momento, movi´ ndose el sistema de ilumi-
a e
naci´ n por delante de las c´ maras.
o a
yc1 = yo1 (15)
El sistema de inspecci´ n mostrado en la Figura 1, est´ lo-
o a
γc1 = βu /2 + γ (16) calizado justo despu´ s de los hornos de pinturas dentro de la
e
xc2 = xo1 + l2 /2 + s + (r/hl )h2 (17) propia cadena de fabricaci´ n. Tras ser inspeccionados, los vehću-
o ı
yc2 = yo1 (18) los pasan por la fase de reparaci´ n, en la que los defectos se mo-
o
γc2 = −βu /2 − γ (19) nitorizan para facilitar la localizaci´ n de los mismo, tal y como
o
se muestra en la Figura 6.

a a 7

Figura 7: Vistas del t´ nel de inspecci´ n dise˜ ado.
u o n

(a) Horizontales (techo, cap´ y maletero)
o (b) Verticales (puertas y aletas)

Figura 8: Ubicaci´ n de las c´ maras (y conos de visi´ n).
o a o

a a 8

mientras que las c´ maras laterales cubren las aletas frontales (5
a
y 9), las puertas (6, 7, 10 y 11) y las aletas traseras (8 y 12) a
ambos lados.
El t´ nel de inspecci´ n est´ formado por diversos elemen-
u o a
tos electromec´ nicos que posicionan el objeto dentro del t´ nel
a u
con lanzaderas y posicionadores a fin de garantizar la inspec-
ci´ n de forma adecuada. Para cada vehćulo a inspeccionar la
o ı
secuencia de movimientos, seg´ n se muestra en la Figura 9,
u
consta de los siguientes pasos: 1) el vehćulo es introducido en
ı
el t´ nel y detenido mediante posicionadores; 2) el subsistema
u
de iluminaci´ n realiza un barrido hacia delante o hacia atr´ s
o a
-indistintamente- dependiendo de la posici´ n en la que se hu-
o
biera quedado por la inspecci´ n anterior; y 3) el vehćulo es
o ı
liberado y expulsado del t´ nel.
u

4.2. Procesamiento de Im´ genes
a
Figura 9: Secuencia de Movimientos del Arco de Iluminaci´ n.
o Se ha desarrollado una metodologá de procesamiento de
ı
im´ genes con las siguientes fases: 1) adquisici´ n de im´ genes;
a o a
2) fusi´ n de im´ genes; 3) ajuste o matching de la imagen con
o a
4.1. Dise˜ o del T´ nel
n u respecto a una imagen de referencia; 4) uniformado o blurring
Se ha desarrollado una metodologá en la que es posible
ı de los diferentes niveles de iluminaci´ n de los tubos; 5) bina-
o
dise˜ ar sistemas de inspecci´ n totalmente adaptados al tipo de
n o rizaci´ n de la imagen a partir de un umbralizado local a nivel
o
objeto a inspeccionar combinando conjuntamente, y sin oclu- de p´xel; 6) detecci´ n de regiones y clasificaci´ n de defectos.
ı o o
siones, subsistemas de visi´ n con subsistemas de iluminaci´ n
o o Durante el barrido de iluminaci´ n se adquieren un conjun-
o
m´ viles. Para ello, debemos contemplar el hecho de que las
o to de im´ genes que garantizan la plena iluminaci´ n del objeto
a o
c´ maras del subsistema de visi´ n est´ n inclinadas con respecto
a o a a inspeccionar, v´ ase la Figura 10(a). El n´ mero de im´ genes
e u a
a la normal de la superficie de forma que los prismas de visi´ n o M = 150 a adquirir, depende de la longitud del barrido de ilumi-
(o frustum) cubren parte o toda la superficie. El movimiento sin- naci´ n L = 0,745m, la velocidad de barrido vlight = 0,0745m/s
o
cronizado de los tubos del subsistema de iluminaci´ n produce
o y la m´ xima frecuencia de adquisici´ n de im´ genes por parte
a o a
un reflejo que barre la superficie cubierta por los prismas de de las c´ maras f ps = 15Hz:
a
visi´ n. Este barrido, cuyos haces se desplazan entre dos paredes
o
opuestas de los prismas de visi´ n (o abusando de nomenclaturas
o L
M≥ · f ps (20)
cono de visi´ n) no debe de tener oclusiones en ning´ n momen-
o u vlight
to del barrido. Para ello, se ha seguido un procedimiento en el
que mediante simulaci´ n CAD y bas´ ndonos en los c´ lculos
o a a A partir de superposici´ n de todas las M im´ genes adquiri-
o a
te´ ricos descritos en el apartado 3 se automatiza el proceso de
o das {Ii } se obtiene la imagen fusionada Im , v´ ase la Figura
e
dise˜ o en base a los modelos 3D de las carrocerás, incluyendo
n ı 10(b). La superposici´ n se obtiene a partir de aplicar, p´xel a
o ı
todos los elementos estructurales del tunel. En concreto se tiene p´xel, la operaci´ n m´ ximo en escala de grises de las im´ genes
ı o a a
implementado en la plataforma CAD/CAM/CAE NX-Siemens adquiridas durante el barrido de iluminaci´ n Leon and Kammel
o
el t´ nel parametrizado en “KnowledgeFusion” que ha permiti-
u (2006).
do utilizar diversos procesos de optimizaci´ n basados en algo-
o
ritmos gen´ ticos para la obtenci´ n de soluciones v´ lidas.
e o a Im (i, j) = m´ x {I1 (i, j), I2 (i, j), . . . , I M (i, j)}
a (21)
En la Figura 7, se muestra el t´ nel de inspecci´ n dise˜ ado
u o n
La imagen fusionada es ajustada mediante t´ cnicas de match- e
en sus diferentes vistas: alzado, perfil, planta y perspectiva isom´ -
e
ing de patrones con respecto a una imagen modelo, a fin de
trica. En ellas se observan los subsistemas de visi´ n, de ilumi-
o
compensar peque˜ as variaciones en el posicionamiento de la
n
naci´ n y la estructura de sustentaci´ n, as´ como diversos ele-
o o ı
carrocerá. Este ajuste es necesario pues el resto de c´ lculos re-
ı a
mentos electromec´ nicos. La estructura porticada del subsis-
a
quieren operaciones precisas a nivel de p´xel. La Figura 10(c)ı
tema de iluminaci´ n dispone de once arcos de iluminaci´ n que
o o
muestra, para el cap´ del Ford Focus 5P, los patrones de b´ sque-
o u
envuelven el vehćulo generando un barrido uniforme de luz.
ı
da utilizados, en los que el recuadro rojo es la zona a bus-
Cada arco est´ formado por siete tubos de iluminaci´ n: un tubo
a o
car y el recuadro verde es la zona de b´ squeda. Sea Z = u
en posici´ n horizontal superior, tubos en posici´ n oblicua su-
o o
{z1 , z2 , . . . , zn } = {{x1 , y1 }, {x2 , y2 }, . . . , {xn , yn }} el conjunto, de
perior izquierda y derecha, tubos en posici´ n vertical izquier-
o
tama˜ o n = dim(Z ), de p´xeles que definen el centro de los
n ı
da y derecha y tubos en posici´ n oblicuo inferior izquierda y
o
patrones en la imagen de referencia y sea Z = {z1 , z2 , . . . , zn } =
derecha.
{{x1 , y1 }, {x2 , y2 }, . . . , {xn , yn }} el conjunto de p´xeles de los cen-
ı
En las Figuras 8(a) y 8(b) se muestran los prismas de visi´ n
o
tros encontrados en la imagen Im , siendo n = dim(Z), la cor-
de las c´ maras superiores (horizontales) que cubren el cap´ (1),
a o
respondencia entre los conjuntos zi ↔ z j se establece a partir de
el techo (2 y 3) y el maletero (4) del vehćulo a inspeccionar,
ı

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