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  • 选择和 分析机器视觉所需要的镜头

    发布时间:2019-01-21 11:28:10   来源:    浏览次数:

    如果把 工业相机比喻为人的眼睛,工业镜 头就好比是眼球,它直接 关系到监看物体的远近、范围和效果。工业镜 头的选用应考虑以下几点:

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    工业镜 头尺寸应等于或大于工业相机成像面尺寸。例如:1/3″工业相机可选1/3″~1″整个范 围内的工业镜头,但水平 视角的大小都是一样的。只是使用大于1/3″的工业 镜头能够更多地利用成形,更精确 了工业镜头中心光路,所以可 提高图像质量和分辨率。


    选用合 适的工业镜头焦距。焦距越大,监看距离越远,水平视角越小,监视范围越窄;焦距越小,监看距离越近,水平视角越大,监视范围越宽。工业镜 头焦距可按照以下公式估算。

    f=A×L/H

    (f--镜头焦距;A--摄像机CCD垂向尺寸;L--被摄物体到镜头距离;H--被摄物体高度)

    格式 1英寸  2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸 

    CCD垂向尺寸  9.6㎜  6.6㎜ 4.8㎜  3.6㎜ 2.7㎜


    考虑环境光线的变化,光线对 图像的采集效果起着十分重要的作用。一般来说,对于光 线变化不明显的环境,常选用手动光圈镜头,将光圈 调到一个比较理想的数值后就可不动了;如果光线变化较大,如室外24小时监看,应选用自动光圈,能够根 据光线的明暗变化自动调节光圈值的大小,保证图像质量。但需注意的是,如果光线照度不均匀,特别是 监视目标与背景光反差较大时,采用自 动光圈镜头效果不理想。

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    考虑最佳监看范围。因为工 业镜头焦距和水平视角成反比,因此既想看得远,又想看得宽阔和清晰,这是无法同时实现的。每个焦 距的镜头都只能在一定范围内达到最佳的监看效果,所以如 果监看的距离较远且范围较大,最好是 增加摄像机的数量,或采用 电动变焦镜头配合云台安装。


    工业镜 头接口与工业相机接口要一致现在的 工业相机和工业镜头通常都是CS型接口,CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接,但和C型镜头接配时,必须在 工业镜头和工业相机之间加接配环,否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃,造成CCD工业相机的损坏。C型工业相机不能和CS型工业镜头配接。

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    近年来 利用影像量测物品尺寸已经成为行业发展的趋势。由于相机,影像软 件及照明组件等设备的进步,让影像 量测物品尺寸的精准度能媲美或更胜于手动或雷射光的量测,整合光 学系统工程的应用,我们可 发现光学产品的优劣决定了系统的品质,而远心 镜头能执行各种形式的光学测量。软件工 程需要高分辨率、高对比 性和低几何变形特性的拍摄影像来判断出精准的量测数据。


    除了光 学设备本身的要求,视角的 选择也具有相当的重要性,在不适 当的观测点下量测物体,会造成 物体拍摄影像的扭曲。系统设 计者也同时将光学配备本身会影响光学量测精准性的几个限制纳入考虑:

    • 由于物 体摆放位置而造成的不正常放大

    • 影像的变形

    • 视角选 择而造成的误差

    • 低影像分辨率

    • 不适当 光源干扰下造成边界的不确定性


    远心镜 头能有效降低甚至消除以上的问题,因此远 心镜头也成为精密光学量测系统决定性的因素。接下来 我们简要的介绍远心镜头是

    如何有 效降低噪声及变形等问题。


    一、放大倍率的一致性

    光学量 测系统通常会从物体正上方拍摄(不纪录物体侧面)以测量 其直径或直线距离。由于许 多机械零组件无法精准定位或具有高度差或厚度等问题,工程师 需要靠光学量测系统来判定影像与物体的实际间距。


    在一般标准镜头下,物体的 影像大小会因为与镜头的距离(标记为“s”)不同而改变。同样的,不同大 小的对象可能会受距离的影响而看起来相同。

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    反观远 心镜头能容许一定程度的距离改变,在"限定景深"或"远心度区间"内,影像不 会因物体与镜头间距离的改变而放大或缩小。此特性 是由于在光学系统中,只有与 光轴平行的光束会被接收,因此远 心镜头必须大于或等于被摄物体的直径。在远心系统内,唯有与 轴心平行或接近平行的光束会被接受。在此我 们举个简单的例子来说明两种光学系统的差异性。


    首先我 们使用一个焦距为12毫米的标准镜头 (f = 12 mm) 及以1/3吋的侦 测器为接口来测定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 对象。当对象位移1毫米 (ds = 1mm)时,其成像 大小将会有约略0.1毫米的差异(如以下公式)。


    dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm


    在telecentric光学系统下,成像的 大小的变化取决于” telecentric 曲线”,一个高 品质远心镜头的曲线角度(theta)能趋近于0.1°(0,0017 rad),代表当物体同样移动1毫米 (ds = 1mm) 时,其成像将只会有0.0017毫米的改变。


    dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm


    因此相较于标准镜头,远心镜 头能将放大倍率的误差缩小至1/10或甚至1/100。

     

    “Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在 维持放大倍率下能摆设物体的范围。然而当物体不在telecentric range中并不 代表镜头功能就不具远心的特性,影像的 变异程度主要是由镜头的”远心曲线” (由前文的” theta”所定出来的) 或 ”远心度”所决定,这个曲 线决定了物体在移动时造成的影像误差大小,然而当 主要入射光束与光轴”平行”时,成像的 大小就不会因物体置放的距离而影响。由于远 心镜头必须接收与光轴平行的入射光源,远心镜 头的尺寸必须比拍摄物体还大,因此远 心镜头会比一般镜头大且厚重,成本也比一般镜头高。


    二、低失真度 (Distortion)

    影像的 变形是限制光学量测准确性的重要因素之一,再好的 镜头都还是无法避免。然而有 时候一个或数个像素的错误可能具决定性的影响。 失真度 也可以说是影像与实际画面的差异度。失真度 是利用影像点与影像中心位置的距离和在标准影像(未失真影像)的实际 距离之间的差异来计算。举例来说,一个与画面中心距离200像素的 标定在影像画面中只有和中心点间隔198个像素,其失真度则为:


    distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%


    正向放射性失真 (Positive radial distortion) 也被称为 “pincushion” 性失真,负向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另称为 “barrel” distortion。此类的 变形和影像中心的距离大小有绝对的关联性。


    影像的 失真可被视作真实画面经过二维几何性变形的结果,由于通 常不是线性改变而是二或三度的多项式的变形,影像会 被些许的拉扯及扭曲。一般的 镜头具有数度或数十度的失真度,不过由 于大部分的影像镜头是用在一般监测系统或普通摄影中,些许的 影像失真是能被容许的,但此瑕 疵让精密影像测量变的困难。


    高品质 的远心镜头只具有低于0.1%失真度的特性,虽然这 个数次听起来很小,但在高 分辨率的摄影机下仍能造成将近一个像素的误差。因此许 多失真的影像会利用软件做校正:将校正用图样(此图样的精密度比)置于镜头下方拍摄,之后利 用软件计算影像校正公式,将失真影像做校正。由于影 像的失真程度与物体和镜头的距离有极高的关联性,因此必 须格外留意物体在被摄影时与镜头的距离。


    除了与 远心镜头的距离以外,物体和 远心镜头之间必须尽量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”,所谓的梯形性失真(或称” Keystone” or thin prism effect”) 是另一 个影像测量系统中必须克服的问题,如果拍 摄物体没有被放置于中心点,此类的 影像通常据非对称性也很难利用软件校正。

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    三、视角误差

    使用一 般光学镜头拍摄非平面物体时,物体的 大小会因为距离而改变。因此拍 摄管柱形物体时,管柱顶 端与底端会成被拍摄成像为同心圆而非同样的双圆。而在远心镜头下,圆柱底 端则会与柱顶的圆完全重叠。一般镜头通常会将3D物体的立体影像(包括空间距离)转换成2D影像,而远心镜头只会纪录2D平面影 像而不受物体的立体距离影响,这个特 性在影像量测系统中具有极大的优势,而远心 镜头不会有这种情形,


    四、高影像分辨率

    影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)将影像 的对比清晰度量化,很多影 像系统是利用多个低画素相机搭配低分辨率的便宜镜头,因而只 得到非常模糊的影像。而远心 镜头的高分辨率让它能搭配低像素高分辨率的相机而依然得到良好的影像品质。


    五、锐利的边缘影像

    影像拍摄时,背景光 线常常会让物体的轮廓变的难以界定(border effects),主要是 因为背景的强光会与物体边缘的阴影重叠,除此之外,当光线 自不同角度投射于物体上时,某些光 源被物体反射后仍然被镜头所接收(如下图十一所示),这种光 线常常会被误判来自物体背后,造成边 缘判定上的误差,因此当 物体具有高度立体特性时容易出现误差。

     

    如果想 要更进一步的提升影像的品质,可利用collimated (或称 “telecentric”) 照明设 备搭配远心镜头,在这种 配备能让相机与光源互相配合,让所有自collimated光源发 出的光都能是被镜头所接收的平行光束,让噪声 与曝光时间都能大幅的降低。除此之外,边缘定 位的问题也因光源的控制而有明显的改善。Collimated (telecentric)光源设 备只提供与光轴接近平行的光束。

     

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