機(jī)器視覺(jué)
對(duì)于裝配線和大量檢測(cè)操作中使用的機(jī)器人系統(tǒng),比如汽車生產(chǎn)和檢測(cè)線,傳送帶通常是參考。這里,機(jī)器人執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù):識(shí)別和傳送。
在絕大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用里,光學(xué)控制都是非常重要的。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)同樣要求*的可重復(fù)性,因此減少抖動(dòng)提供清晰圖像是必要的。
在類似藥品工廠這樣的大規(guī)模單位檢測(cè)線上,視覺(jué)系統(tǒng)必須能夠辨識(shí)缺陷包、不可讀標(biāo)簽和產(chǎn)品缺失。視覺(jué)系統(tǒng)必須能夠以*的準(zhǔn)確度快速識(shí)別和測(cè)量方形、圓形和橢圓形物體。提高機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的度,可以幫助保持統(tǒng)一的包裝表面和顏色。對(duì)于食品檢測(cè)系統(tǒng),產(chǎn)品的尺寸、顏色、密度和形狀都需要依靠多元檢測(cè)才確定。多元機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)既可以是彩色相機(jī)也可以是黑白相機(jī),通常使用結(jié)構(gòu)照明方法建立產(chǎn) 品外表和內(nèi)在結(jié)構(gòu)。
盡管照相機(jī)、分析軟件和照明對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)都是十分重要的,可能zui關(guān)鍵的元件還是成像鏡頭。系統(tǒng)若想*發(fā)揮其功能,鏡頭必須要能夠滿足要求才行。當(dāng)為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時(shí)候,機(jī)器視覺(jué)集成商應(yīng)該考慮四個(gè)主要因素:
■ 可以檢測(cè)物體類別和特性;
■ 景深或者焦距;
■ 加載和檢測(cè)距離;
■ 運(yùn)行環(huán)境。
分析這四個(gè)因素,可以針對(duì)具體應(yīng)用確定合適的鏡頭選擇。
主要放大率是指?jìng)鞲衅魃蠄D像尺寸對(duì)于實(shí)際物體大小的比例。
鏡頭放大率對(duì)于不同尺寸芯片照相機(jī)匹配鏡頭相當(dāng)重要,然而,不要把鏡頭放大率和顯微鏡放大率搞混了,后者是由光管長(zhǎng)度和實(shí)際物鏡焦距決定的。而鏡頭放大率主要考慮的是照相機(jī)傳感器的尺寸。
系統(tǒng)放大率(SMAG)是監(jiān)視器尺寸與傳感器尺寸的比例與PMAG的乘積結(jié)果。它是從物體到監(jiān)視器圖像的總體放大率,也就是整個(gè)系統(tǒng)的“工作”結(jié)果。考慮物體的屏幕尺寸時(shí),系統(tǒng)放大率是有用的。
物體的特性也很重要。鏡頭對(duì)于物體特征的解析能力依賴于特征的對(duì)比是否強(qiáng)烈。確定系統(tǒng)解析度、或者物體zui小更解析特征的方法,可以使用諸如倫奇刻線法這樣的解像力方法。這些刻線法以線耦(等寬度的一條黑線和一條白線)來(lái)決定特征。其他的解像力方法還可以用圓圈和點(diǎn)狀網(wǎng)格。
鏡頭在光線條件下辨識(shí)特定寬度的線耦或者點(diǎn)距的能力,決定了它的解析度。解析度通常被模塊轉(zhuǎn)換功能(MTF)以圖像的方式顯示出來(lái)。
圖形顯示了線耦頻率下可行的相對(duì)對(duì)比度。扭曲、色差和其他波前畸變都會(huì)影響曲線的斜率,使曲線偏離理想狀態(tài)或者衍射極限的光學(xué)表現(xiàn)。鏡頭方案有時(shí)候會(huì)以每毫米線耦數(shù)量(lp/mm)為單位列出物體解析度,再將這個(gè)值除以1000就可以預(yù)測(cè)出鏡頭每微米的物體解析度。
在進(jìn)行表面剖析的時(shí)候,通常不只使用一臺(tái)照相機(jī)和鏡頭,而了解鏡頭的內(nèi)在偏差(aberration)量也是有價(jià)值的。偏差是指鏡頭里的光學(xué)誤差,可以引起同一張圖片里不同點(diǎn)的圖像質(zhì)量差異。剖析通常包括激光線和其他圖像里的光線,這樣可以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。一些軟件程序可以消除諸如鏡頭引起的扭曲之類的誤差,所以在zui終圖像里只有剖析數(shù)據(jù)是明顯的。
大型格式和區(qū)域掃描照相機(jī)鏡頭是控制應(yīng)用的解決方案,因?yàn)樗哂懈呓馕龆取⒌团で陀邢奚?。大范圍FOV和兼容性,以及大型格式傳感器,使這些鏡頭在Web、LCD、食品和飲料行業(yè)的應(yīng)用具有很高的價(jià)值。
鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)性能的主要決定因素。
在極限范圍內(nèi),通過(guò)鏡頭重新對(duì)焦,可以改變工作距離。無(wú)限共軛鏡頭的對(duì)焦距離可以從zui小工作距離一直到無(wú)限遠(yuǎn),有限共軛鏡頭則有一個(gè)特定工作距離范圍。
存放和加載限制,包括用于艱苦環(huán)境的保護(hù)外殼,必須具有足夠的柔性,可以根據(jù)工作距離進(jìn)行調(diào)整。比如在很多安裝場(chǎng)合,感興趣的產(chǎn)品區(qū)域和產(chǎn)品線可能在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生變化,這就要求視覺(jué)系統(tǒng)和視覺(jué)元件可以根據(jù)若干種傳感條件進(jìn)行調(diào)整。很多照相機(jī)鏡頭需要平穩(wěn)加載,但是當(dāng)物體空間(物體和鏡頭之間的距離)受到限制,改變像空間(image space,鏡頭與圖像之間的距離),就可以改變工作距離。
像空間可以使用兩種方式進(jìn)行改變:通過(guò)縮放功能或者隔離??s放鏡頭可以調(diào)整照相機(jī)系統(tǒng)的視場(chǎng),而不需要改變工作距離。一些縮放系統(tǒng)的元件可以定制組成特殊型號(hào)的系統(tǒng)。度量衡和顯微應(yīng)用需要以微米為單位進(jìn)行放大,這些鏡頭系統(tǒng)可以同顯微鏡下的物體對(duì)應(yīng)??s放鏡頭保持著高解析度,但是成本高昂。另外一種方案,鏡頭隔離器十分經(jīng)濟(jì),并且可以縮短工作距離、減小鏡頭的可視范圍。然而不幸的是,這會(huì)帶來(lái)扭曲同時(shí)降低解析度。因此,除非空間調(diào)整是在5mm之內(nèi)或者鏡頭的設(shè)計(jì)就帶有隔離器,否則隔離器不是一個(gè)推薦的方案。
基本的鏡頭設(shè)計(jì)因素可以確定圖像特性
景深效果(DOF)是指由于物體移動(dòng)導(dǎo)致的模糊。DOF是*在焦距范圍內(nèi)zui大的物體深度,它也是保持理想對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下物體允許的移動(dòng)量(從*焦距前后移動(dòng))。當(dāng)物體的放置位置比工作距離近或者遠(yuǎn)的時(shí)候,它就位于焦外了,這樣解析度和對(duì)比度都會(huì)受到不好的影響。出于這個(gè)原因,DOF同的解析度和對(duì)比度相配合。當(dāng)景深一定的情況下,DOF可以通過(guò)縮小鏡頭孔徑(也就是增加F/#值)來(lái)變大,同時(shí)也需要光線增強(qiáng)。
鏡頭的DOF范圍取決于有效焦距、可接受的模糊直徑。有一些鏡頭被設(shè)計(jì)成超焦或者可超焦的,這就意味著焦內(nèi)的遠(yuǎn)點(diǎn)可以拓展到無(wú)限遠(yuǎn)。這種技術(shù)通常應(yīng)用在定焦鏡頭上,景深效果很深,但是卻可以通過(guò)虹膜的幫助進(jìn)行調(diào)整。
不要把遠(yuǎn)心鏡頭和大景深鏡頭弄混了。遠(yuǎn)心鏡頭可以使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)控制放大率、消除潛在誤差,所以同尺寸的物體在照片上高度都是一致的,無(wú)論它距離照相機(jī)有多遠(yuǎn)。這種鏡頭一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子是分析計(jì)算機(jī)電路板。遠(yuǎn)心鏡頭通常有一個(gè)工作距離范圍,在每一個(gè)工作距離點(diǎn)形成有限的景深。集成商在為一個(gè)項(xiàng)目選擇遠(yuǎn)心鏡頭的時(shí)候,既需要考慮工作距離范圍,還需要考慮景深效果。
在很多情況下,比如說(shuō)管道檢測(cè),可以使用變焦鏡頭獲得較大的景深。變焦鏡頭和縮放鏡頭很類似,應(yīng)用在需要經(jīng)常變換焦距的場(chǎng)合。這些鏡頭經(jīng)常是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的,可以保證在對(duì)焦平面上平滑移動(dòng)。使用這樣的鏡頭,整個(gè)管道、每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以掃描到,通過(guò)調(diào)整焦距來(lái)發(fā)現(xiàn)每個(gè)缺陷。然而,同縮放鏡頭不通,變焦鏡頭的工作距離也可以變化,可以根據(jù)需要進(jìn)行重新定位。
USAF目標(biāo)法展示了不同的寬度的倫奇刻線,可以衡量鏡頭的性能。
獨(dú)立平臺(tái)可以減少振動(dòng)
光,尤其是單色光,可以使物體的對(duì)比度提高,使鏡頭圖像的質(zhì)量zui大化。在使用黑白照相機(jī)的時(shí)候,對(duì)比度是非常重要的,可以通過(guò)加減過(guò)程產(chǎn)生。在加法過(guò)程中,單色光源和照相機(jī)鏡頭濾鏡同分析物體所在的媒介顏色相匹配,物體周圍的區(qū)域可以反射并且傳輸光線,所以顯得比物體更加明亮。這項(xiàng)技術(shù)在凝膠和彩色液體用作背光式觸摸屏或者微粒檢測(cè)的應(yīng)用很有價(jià)值。
相反,在減法系統(tǒng)中,濾鏡屏蔽了物體周邊的反射光,這使得物體看起來(lái)比周邊明亮。像藥丸檢測(cè)這樣的應(yīng)用,物體的顏色可能是它僅有的特征,這時(shí)候就要使用濾鏡。
高溫環(huán)境下,可能因?yàn)殓R頭里光學(xué)元件的熱膨脹出現(xiàn)問(wèn)題。并不是所有的鏡頭都可以適應(yīng)溫度變化,在檢測(cè)熱物體時(shí),使用工作距離比較長(zhǎng)的鏡頭。
另外一個(gè)要考慮的因素是振動(dòng)。通常需要將鏡頭裝載到和照相機(jī)隔離的平臺(tái)和桌面上,來(lái)減少振動(dòng)。重型的照相機(jī)鏡頭總是帶有卡具,如果鏡頭不能直接裝在案板或者類似的隔離桌面上,那么就把裝載鏡頭的物體放在獨(dú)立平臺(tái)上吧。固定在獨(dú)立平臺(tái)上的機(jī)械手就經(jīng)常用來(lái)裝載照相機(jī)和鏡頭。
工業(yè)換件下的污染物會(huì)腐蝕鏡頭表面。環(huán)境光學(xué)(HEO)產(chǎn)品進(jìn)行了專門設(shè)計(jì),即便是長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下,也可以提供高質(zhì)量的圖像。因?yàn)樗墓鈱W(xué)元件是嚴(yán)格密封的,HEO產(chǎn)品可以在水下使用,能夠抗腐蝕、防塵,并且不受機(jī)械影響。
照相機(jī)鏡頭對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的影響。為了實(shí)際應(yīng)用選擇合適的鏡頭,機(jī)器視覺(jué)集成商必須對(duì)物體的尺寸、特征和反射率都要進(jìn)行分析。他/她還必須要估計(jì)工作距離范圍以及物體厚度所需要的景深。當(dāng)改變物體和圖像間隔的時(shí)候,集成商可以使用更加靈活的系統(tǒng),也可以降低性能。所有的環(huán)境都是在不斷變化的,還要符合一定的要求,所以選擇一款合適的鏡頭非常重要。
相關(guān)產(chǎn)品
免責(zé)聲明
- 凡本網(wǎng)注明“來(lái)源:化工儀器網(wǎng)”的所有作品,均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品,未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用,并注明“來(lái)源:化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
- 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來(lái)源(非化工儀器網(wǎng))的作品,目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé),不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí),必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來(lái)源,并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。
- 如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問(wèn)題,請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系,否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。