Почему искажение линзы имеет значение при измерениях машинным зрением

Введение: небольшая геометрическая ошибка может стать большой проблемой при проверке

В машинном зрении линза может давать четкое изображение, но при этом быть неподходящей линзой для данной работы.

Это может показаться нелогичным. Если камера контроля может четко видеть компонент, отверстие или кромку, разве система не сможет точно измерить это? Не обязательно. Резкость изображения и геометрическая точность — разные свойства. Объектив может разрешать мелкие детали, преобразуя прямые линии в кривые или изменяя масштаб изображения от центра к краям.

Для таких приложений, как контроль размеров, позиционирование, выравнивание и обнаружение дефектов, это различие имеет значение. Небольшая геометрическая ошибка может повлиять на решение «пройти/не пройти», сместить точку выбора робота или привести к противоречивым измерениям на производственной линии.

В этой статье объясняется, что означает искажение объектива на практике, когда оно наиболее важно, как помогает калибровка и что инженеры должны обсудить с поставщиком объектива, прежде чем приступать к проектированию.

Что такое искажение объектива?

Искажение объектива — это геометрическая аберрация, которая изменяет расположение точек сцены на изображении. Его обычно называют бочкообразным искажением, подушкообразным искажением или более сложной комбинацией этих двух явлений.

При бочкообразном искажении увеличение изображения имеет тенденцию уменьшаться к краям, поэтому прямые линии могут выгибаться наружу. При подушкообразном искажении линии могут прогибаться внутрь. Широкоугольные системы также могут демонстрировать более сложные модели искажений, которые невозможно адекватно описать одним простым коэффициентом.

Искажение не обязательно означает, что изображение не в фокусе. Высококонтрастный край может оставаться резким, но отображаться в несколько ином положении, чем ожидалось. Для визуального мониторинга это может быть приемлемо. Для измерений это может быть источником систематической ошибки.

Полезное различие:

Разрешение описывает, сколько деталей может различить система визуализации.

Искажение описывает, насколько точно система сохраняет геометрию сцены.

Повторяемость описывает, возвращает ли система согласованные результаты при одних и тех же условиях.

Для успешной системы машинного зрения могут потребоваться все три, но приоритеты зависят от задачи.

Когда искажение становится проблемой?

Измерение размеров

Если программное обеспечение преобразует пиксели в миллиметры с использованием простого масштабного коэффициента, предполагается, что масштаб изображения достаточно постоянен по всей области измерения. Искажение может нарушить это предположение. Размер, измеренный вблизи центра, может не соответствовать тому же физическому масштабу, что и идентичный размер вблизи угла.

Наведение и позиционирование робота

Когда камера управляет роботом, координаты изображения преобразуются в координаты, используемые роботом или конвейерной системой. Если линза вносит неисправленную геометрическую ошибку, расчетное положение может сместиться. Влияние зависит от угла камеры, рабочего расстояния, метода калибровки и требуемого допуска при размещении.

Проверка печатной платы, компонентов и полотна

Системы контроля часто сравнивают положение или форму элементов с эталоном. Искажение может привести к тому, что номинально прямой элемент будет казаться изогнутым или вызвать смещение краев. Это может усложнить сравнение по полю, особенно если область проверки занимает большую часть датчика.

Широкоугольный мониторинг

Не каждому приложению требуется низкий уровень искажений. В некоторых системах наблюдения или ситуационной осведомленности охват может быть более важным, чем сохранение прямых линий. Однако в приложениях измерения или картографирования геометрическая точность может быть ключевым требованием. Правильный объектив — это тот, который оптимизирован для этой задачи, а не тот, который имеет наименьшее число искажений в отдельности.

Объектив с низкой дисторсией или программная коррекция?

Универсального ответа не существует. Оптическая конструкция и программная калибровка могут дополнять друг друга, но решают проблему по-разному.

Объектив с низким уровнем искажений оптически уменьшает геометрическое отклонение еще до того, как изображение достигнет сенсора. Это может упростить последующую обработку и помочь сохранить более единообразное картографирование по всему полю.

Программная коррекция использует калиброванную модель для переназначения координат изображения. Это может быть эффективно, если искажения стабильны и процедура калибровки является подходящей. Однако коррекция может повторно дискретизировать пиксели, обрезать полезную область изображения и зависеть от фокусировки, положения объектива, выравнивания датчика и достаточной постоянства температуры.

Также важно отличать коррекцию искажений от коррекции перспективы. Камера, рассматривающая плоский объект под углом, создает эффекты перспективы, даже если сам объектив имеет незначительные искажения. В процессе калибровки может потребоваться смоделировать и то, и другое.

Разумный процесс разработки заключается в том, чтобы сначала определить требуемую точность измерений, а затем оценить, подходит ли оптическая коррекция, программная коррекция или их комбинация.

А как насчет телецентрической линзы?

Телецентрические линзы часто рассматриваются, когда точность измерений важнее компактного размера или широкого охвата глубины. В телецентрической конструкции пространства объекта главные лучи примерно параллельны в пространстве объекта, что уменьшает изменения увеличения, вызванные небольшими изменениями расстояния до объекта.

Это может быть полезно для измерения плоских деталей, проверки диаметра или проверки компонентов, высота которых незначительно меняется. Однако телецентрическая оптика не является автоматически лучшим выбором для каждой системы технического зрения. Они могут быть больше, дороже и требуют определенного рабочего расстояния и поля зрения.

Обычная линза с низкой дисторсией может подойти лучше, когда важнее пространство, стоимость или охват поля. Решение должно соответствовать фактическим допускам и механическим ограничениям.

Шесть вопросов, на которые нужно ответить перед выбором объектива

Прежде чем запросить предложение, инженеры и покупатели должны подготовить следующую информацию:

1. Каков допуск измерения? 

Система, предназначенная для обнаружения серьезных дефектов, имеет разные потребности: от измерения характеристики до жесткого допуска по размерам.

2.Какой формат сенсора и размер пикселя? 

Круг изображения объектива и разрешение должны соответствовать сенсору.

3.Какое поле зрения и рабочее расстояние необходимы? 

Они определяют геометрию изображения и сильно влияют на выбор линз.

4.Где будет находиться интересующий регион? 

Небольшая центральная область может быть менее чувствительна к искажениям, чем измерение, охватывающее весь кадр.

5.Будет ли камера или объект двигаться? 

Движение, вибрация и изменение рабочего расстояния могут повлиять на стабильность калибровки.

6.Как будет калиброваться система? 

Заранее укажите цель калибровки, процедуру, рабочую температуру и критерии приемки.

Поставщик может рекомендовать более эффективно, когда эта информация доступна. «Низкое искажение» само по себе не является полной характеристикой.

Как проверить объектив в реальной системе

Таблица данных — это отправная точка, а не замена тестирования приложения. Используйте калиброванную сетку или другую подходящую эталонную мишень в предполагаемом поле зрения. Проверьте работу центра и края, повторите измерение после повторной фокусировки или переустановки, где это необходимо, и проверьте результат на фактическом рабочем расстоянии.

Если приложение работает в определенном температурном диапазоне, укажите репрезентативные температурные условия. Если в план входит программная коррекция, проверьте всю цепочку обработки изображения, а не судите только по необработанному изображению.

Также полезно определить четкую метрику приемлемости. Это может быть максимальная остаточная погрешность после калибровки, повторяемость измеренного размера или ошибка позиционирования в заданных местах изображения. Правильная метрика зависит от варианта использования.

Где может помочь оптика Boshi

Боши Оптикаподдерживает оптические продукты для обеспечения безопасности, промышленной обработки изображений, автомобильной электроники, медицинской обработки изображений и других приложений для камер. Для проектов, требующих компактного объектива или оптической конфигурации для конкретного применения, клиенты могут начать с просмотраДиапазон объективов М12или обсуждение требований с помощью индивидуальных оптических продуктов.

Для полезного технического обсуждения укажите модель датчика, размер цели, поле зрения, рабочее расстояние, доступную механическую оболочку, рабочую среду и требуемый допуск измерения. Эти детали помогают определить, подходит ли стандартная линза или следует оценить более специализированную конструкцию.

Вывод: укажите ошибку, которую вы можете принять

Выбор линз для машинного зрения – это не просто поиск четкого изображения. Когда система измеряет, выравнивает или направляет движение, геометрическая точность может быть так же важна, как и разрешение.

Начните с допуска приложения. Поймите, где искажения имеют значение в поле зрения. Решите, как оптические характеристики и калибровка будут работать вместе, а затем проверьте всю систему камеры в реалистичных условиях.

Самый полезный вопрос – это не просто «Имеет ли этот объектив низкую дисторсию?» Вопрос заключается в следующем: «Может ли эта система визуализации обеспечить требуемую точность и повторяемость в том виде, в котором она будет фактически использоваться?»