TESIS DOCTORAL ARQUITECTURA DINÁMICA PARA INSPECCIÓN VISUAL DE SUPERFICIES ...

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TESIS DOCTORAL
ARQUITECTURA DINÁMICA PARA INSPECCIÓN VISUAL
DE SUPERFICIES EN TIEMPO-REAL
David Martín Gómez
Licenciado en Ciencias Físicas por la
Universidad Nacional de Educación a Distancia
DEPARTAMENTO DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
Madrid, 2007

Departamento de Inteligencia Artificial
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Informática
ARQUITECTURA DINÁMICA PARA INSPECCIÓN VISUAL
DE SUPERFICIES EN TIEMPO-REAL
David Martín Gómez
Licenciado en Ciencias Físicas por la
Universidad Nacional de Educación a Distancia
Director:
Dr. D. Domingo Guinea Díaz (IAI-CSIC)
Codirector:
Dr. D. Mariano Rincón Zamorano (UNED)
Madrid, 2007
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VI
Agradecimientos
En primer lugar deseo mostrar mi más sincero agradecimiento a mi director de
tesis Dr. Domingo Guinea Díaz, y a mi profesor y codirector, Dr. Mariano Rincón
Zamorano, por su labor de dirección y su ayuda en la realización de esta tesis,
que a lo largo de estos cinco años han motivado mi labor investigadora. A la Dra.
Maria C. García-Alegre por su apoyo y ayuda constante desde el principio y a la
Dra. Ángela Ribeiro por su interés continuo en mi trabajo. Al ingeniero Eugenio
Villanueva por su ayuda interminable, sus consejos prácticos y su saber hacer, que
siempre me han ayudado a solucionar los problemas técnicos y me han aportado
muchos conocimientos útiles.
Agradezco también la financiación del proyecto ACERINOX “Sistema de Detec-
ciónVisualyClasificacióndeCascarillaResidualenLaminadosdeAceroInoxidable”
que ha permitido mantenerme durante estos años y del cual Domingo Guinea fue
investigador principal, y cuyo marco origino el inicio de esta tesis doctoral. Como
no, en este mismo contexto agradecer a las empresas Acerinox S.A., TCC S.A. y
Anafocussupredisposiciónyapuestaporlainvestigación,quesiemprehanfacilitado
nuestro trabajo aportando todos los medios disponibles a su alcance. Esto ha sido
posible gracias al equipo de doctores e ingenieros de las entidades participantes en el
proyecto, IAI (CSIC), Universidad de Málaga y IMSE-CNM (CSIC) y, en especial,
a los doctores Carlos Spinola y Servando Espejo, y a los ingenieros Sergio Morillas
y Juan José Carmona. Además, las visitas a Acerinox siempre fueron un referen-
te para mi trabajo, desde la puesta en marcha de los sistemas de inspección en la
propia línea de producción hasta las conversaciones con los inspectores de línea y
operarios que me ayudaron a comprender la labor diaria de inspección; y las charlas
con Domingo y Eugenio en los viajes al Campo de Gibraltar donde se encuentra
ubicada una de las fabricas de Acerinox, donde siempre comentábamos con ilusión
los detalles de las reuniones y pruebas, y a la vuelta los trabajos y objetivos que
teníamos que cumplir.
VII
El Instituto de Automática Industrial (IAI) del CSIC ha sido mi principal lugar
detrabajo,yquierodarlasgraciasatodasugente.Enespecial,aldirectordelcentro
Dr. Salvador Ros le agradezco todos los medios que han estado a mi disposición y la
confianza que deposito en mí desde el principio, al personal del taller de electrónica
y mecánico que siempre me han ayudado en tantas y tan variadas tareas, gracias
por vuestra comprensión y paciencia; gracias también al personal de administración
y al de servicios generales.
Pero sin lugar a dudas, agradecer el día a día con mucha gente en el IAI, en
especial, con los miembros del departamento de Sistemas de la segunda planta del
edificio B que siempre han estado pendientes de mi trabajo: Teresa, Carlos, Mont-
se, José Javier, Eugenio, Luís, Ángela, Maria, Domingo y Alberto; con todos mis
compañeros y amigos que tantos momentos buenos hemos compartido y siempre me
han apoyado y animado: Juan Carlos, David, Dani, Lía, Jesús, Javi, Xavi, Carlos
Julián, Oscar, Roberto, Marta, Juan, Nacho, Patricia, Miguel, José, Jorge, Marga,
Manuel, Ricardo, Bea, Rodrigo, Almudena, Luís, Disney, Domingo Miguel y Ro-
berto; y con los compañeros y amigos del grupo de pilas de combustible: Gonzalo,
Leandro,Carras,Fran,Javi,Lorena,Juanma,Carlos,Alberto,Omar,Victor,Miguel
Ángel, Wilton, Dani, y las compañeras del ICV, Berta, Miriam y Eva.
De modo muy especial quiero agradecer a mi compañera y amiga la Dra. Lía
García Pérez su apoyo y ayuda en todas las etapas de la tesis, y que haya leído con
mucho cuidado y paciencia el borrador de la primera parte de esta tesis y corregido
con entendimiento.
LaUNEDhasidotambiénmilugardetrabajoyquieroagradecereltratocercano
que siempre he recibido de los profesores del departamento de Inteligencia Artificial,
y en especial, de la profesora Margarita Bachiller y los profesores Rafael Martínez,
Francisco Javier Díez y José Ramón Álvarez Sánchez, que siempre se han interesado
por mi trabajo en el periodo de docencia e investigación y en la evolución de mi
tesis.
VIII
La última etapa de trabajo ha estado marcada por mi estancia en el CERN, y
quiero agradecer a los ingenieros Herve Milcent y Enrique Blanco su apoyo en la
finalización de esta tesis, su conocimiento y sus formas de hacer las cosas que me
han aportado nuevas ideas y un enorme aprendizaje, y a los compañeros y amigos
que durante este último año me han apoyado y animado constantemente, Clara,
Manu, Pablo, Edu, Sandro, Alexander, Barbara, Solveig, Odd, Laura, Tonje y John.
Y a mis amigos de toda la vida, que siempre me han animado a trabajar en
la tesis y han entendido mis ausencias, Rubén, Héctor, Paco, Patri, Fran, Natalia,
Juanan, Elena, Iván, Quique, Diego, Raquel y mis amigos de la UNED, Rubén,
Santa, Fernando, Alberto, David, Maku, Miguel, Marta, Chechu, Anita, gracias a
todos. Y a Lucia que siempre me ha animado continuamente.
Yfinalmentequieroagradeceratodami familiasupacienciayapoyoquemehan
proporcionado siempre, en especial, a mis padres Patri y José Luís y a mi hermano
José a los que dedico la tesis por su paciencia y su cuidadosa y esmerada dedicación
en todas las facetas de mí vida que me han aportado todo.
IX
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Resumen
Los sistemas de visión artificial en la automatización de la inspección visual
Lossistemasdevisiónartificialproporcionansolucionesinnovadorasenelámbito
de la automatizaciónindustrial, que mejoran considerablemente la gestiónde la pro-
ductividad y la calidad de los productos manufacturados aumentando su competiti-
vidad en el mercado. Un gran número de actividades industriales se han beneficiado
de la utilización de las tecnologías de visión artificial en las áreas textil, del metal,
manufacturado de cristal, componentes de maquinaría, piedra tallada, circuitos in-
tegrados, entre otras. La mayoría de los sistemas automáticos de visión artificial han
sido diseñados para una aplicación específica totalmente caracterizada, careciendo
de la flexibilidad necesaria para su utilización en otros dominios de aplicación.
El objetivo de la tesis
El objetivo principal de esta tesis ha sido el diseño y desarrollo de una Arqui-
tectura Dinámica para Inspección Visual de Superficies en Tiempo-Real que posee
las propiedades de flexibilidad, reconfigurabilidad y viabilidad requeridas para su
utilización en un conjunto amplio de aplicaciones.
La arquitectura propuesta
La arquitectura se ha planteado desde la perspectiva del conocimiento acotado
de una imagen superficial, en una arquitectura jerárquica de tres niveles: tareas,
métodos y conocimiento del dominio; que permite, entre otros, la definición de com-
ponentes genéricos para su reutilización en diversas tareas de inspección visual de
superficies. Por ello, a partir de la definición precisa y concisa del problema, se ha
modelado la solución siguiendo la metodología de CommonKADS (Common Kno-
wledge Analysis and Documentation System o Common Knowledge Analysis and
Design Support, entre otras). Las tareas más relevantes han sido:
XI
1. Configuración del sistema para adaptarse al tipo de material y defectos super-
ficiales propios, al entorno, y a la operación a realizar en tiempo real.
2. Detección, clasificación e interpretación de defectos superficiales.
3. Diagnóstico de calidad del material inspeccionado.
ApartirdeestastareassehanplanteadolosPSMs (MétodosdeSolucióndePro-
blemas (en inglés, Problem Solving Methods)) adecuados para la resolución de las
tareas de inspección de varios materiales o procesos. El modelado del conocimien-
to del dominio engloba la adquisición de conocimiento para la caracterización de
los defectos sobre diferentes soportes: metal, papel, plástico, textil y madera. Estas
etapas se enriquecen con el conocimiento genérico propio de las técnicas, métodos
y procedimientos de visión artificial apropiados para inspección de defectos superfi-
ciales.
La aplicación (o dominio seleccionado)
Con el propósito de acotar el problema, y aumentar la robustez y la fiabilidad
de la solución; el sistema se centra en la inspección de superficies de materiales
laminados. En particular, en la resolución de un tipo de problema: los defectos
de puntos de óxido de los laminados de acero inoxidable (cascarilla residual). La
consecución de los objetivos de análisis y diseño de la aplicación se basan en el
estudio exhaustivo de cada una de las tareas a resolver por el sistema y de los
métodos de resolución de las tareas; utilizando todo el conocimiento del dominio
disponible.
Recursos experimentales
Desde el punto de vista de los sistemas físicos, la complejidad física asociada a
los dispositivos clásicos de inspección visual, se ha resuelto con la integración de
iluminación láser de baja potencia. Esta investigación, de carácter innovador, es
una solución viable y robusta al problema de la iluminación en entornos industriales
estructurados.