機器視覺需要鏡頭的選擇和分析和其優(yōu)點

 

如果把工業(yè)相機比喻為人的眼睛，工業(yè)鏡頭就好比是眼球，它直接關系到監(jiān)看物體的遠近、范圍和效果。工業(yè)鏡頭的選用應考慮一下幾點：

1）工業(yè)鏡頭尺寸應等于或大于工業(yè)相機成像面尺寸。例如：1/3″工業(yè)相機可選1/3″～1″整個范圍內(nèi)的工業(yè)鏡頭，但水平視角的大小都是一樣的。只是使用大于1/3″的工業(yè)鏡頭能夠更多地利用成形，更精確了工業(yè)鏡頭中心光路，所以可提高圖像質(zhì)量和分辨率。

2）選用合適的工業(yè)鏡頭焦距。焦距越大，監(jiān)看距離越遠，水平視角越小，監(jiān)視范圍越窄；焦距越小，監(jiān)看距離越近，水平視角越大，監(jiān)視范圍越寬。工業(yè)鏡頭焦距可按照以下公式估算。

f=A&TImes;L/H
(f--鏡頭焦距；A--攝像機CCD垂向尺寸；L--被攝物體到鏡頭距離；H--被攝物體高度)

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㎜

3）考慮環(huán)境光線的變化,光線對圖像的采集效果起著十分重要的作用。一般來說，對于光線變化不明顯的環(huán)境，常選用手動光圈鏡頭，將光圈手調(diào)到一個比較理想的數(shù)值后就可不動了；如果光線變化較大，如室外24小時監(jiān)看，應選用自動光圈，能夠根據(jù)光線的明暗變化自動調(diào)節(jié)光圈值的大小，保證圖像質(zhì)量。但需注意的是，如果光線照度不均勻，特別是監(jiān)視目標與背景光反差較大時，采用自動光圈鏡頭效果不理想。

4）考慮最佳監(jiān)看范圍。因為工業(yè)鏡頭焦距和水平視角成反比，因此既想看得遠，又想看得寬闊和清晰，這是無法同時實現(xiàn)的。每個焦距的鏡頭都只能在一定范圍內(nèi)達到最佳的監(jiān)看效果，所以如果監(jiān)看的距離較遠且范圍較大，最好是增加攝像機的數(shù)量，或采用電動變焦鏡頭配合云臺安裝。

5）工業(yè)鏡頭接口與工業(yè)相機接口要一致?，F(xiàn)在的工業(yè)相機和工業(yè)鏡頭通常都是CS型接口，CS型攝像機可以和CS型、C型鏡頭配接，但和C型鏡頭接配時，必須在工業(yè)鏡頭和工業(yè)相機之間加接配環(huán)，否則可能碰壞CCD成像面的保護玻璃，造成CCD工業(yè)相機的損壞。C型工業(yè)相機不能和CS型工業(yè)鏡頭配接。

近年來利用影像量測物品尺寸已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。由于相機，影像軟件及照明組件等設備的進步，讓影像量測物品尺寸的精準度能媲美或更勝于手動或雷射光的量測。

整合光學系統(tǒng)工程的應用，我們可發(fā)現(xiàn)光學產(chǎn)品的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的品質(zhì)，而遠心鏡頭能執(zhí)行各種形式的光學量測。

軟件工程需要具高分辨率、高對比性和低幾何變形特性的拍攝影像來判斷出精準的量測數(shù)據(jù)。

除了光學設備本身的要求，視角的選擇也具相當?shù)闹匾?，在不適當?shù)挠^測點下量測物體，會造成物體拍攝影像的扭曲。

除了影像處理過程中會造成的干擾，系統(tǒng)設計者也同時將光學配備本身會影響光學量測精準性的幾個限制納入考慮：

1．由于物體擺放位置而造成的不正常放大

2．影像的變形

3．視角選擇而造成的誤差

4．低影像分辨率

5．不適當光源干擾下造成邊界的不確定性

遠心鏡頭能有效降低甚至消除以上的問題，因此遠心鏡頭也成為精密光學量測系統(tǒng)決定性的因素。

圖一：不同鏡頭的光學原理

接下來我們簡要的介紹遠心鏡頭是如何有效降低噪聲及變形等問題。

一、放大倍率的一致性

光學量測系統(tǒng)通常會自物體正上方拍攝(不紀錄物體側(cè)面)以測量其直徑或直線距離。由于許多機械零組件無法精準定位或具有高度差或厚度等問題，工程師需要可靠光學量測系統(tǒng)來判定影像與物體的實際間距。

左上圖為利用遠心鏡頭拍攝圓柱形零件上的齒條；左下圖為利用普通鏡頭拍攝同樣對象的影像；右上圖為兩個同樣對象置于相距100 mm下利用遠心鏡頭拍的影像；右下圖為同樣情形下利用普通鏡頭捕捉的影像。

 

 

在一般標準鏡頭下，物體的影像大小會因為與鏡頭的距離(標記為“s”)不同而改變。同樣的，不同大小的對象可能會受距離的影響而看起來相同。

 

反觀遠心鏡頭能容許一定程度的距離改變，在＂限定景深＂或＂遠心度區(qū)間＂內(nèi)，影像不會因物體與鏡頭間距離的改變而放大或縮小。

此特性是由于在光學系統(tǒng)中，只有與光軸平行的光束會被接收，因此遠心鏡頭必須大于或等于被攝物體的直徑。

“Telecentric”這個單字是來自于希臘前綴”tele-”(遙遠)以及字根”center”(中心，在此代表著光學系統(tǒng)的軸心)，代表此光學系統(tǒng)的入射光線在通過遠心鏡頭時是與鏡頭的中央軸心平行，而成像點會在遠心鏡頭的焦點平面上。

在遠心系統(tǒng)內(nèi)，唯有與軸心平行或接近平行的光束會被接受。

在此我們舉個簡單的例子來說明兩種光學系統(tǒng)的差異性。
首先我們使用一個焦距為12毫米的標準鏡頭 (f = 12 mm) 及以1/3吋的偵測器為接口來測定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 對象。當對象位移1毫米 (ds = 1mm)時，其成像大小將會有約略0.1毫米的差異(如以下公式)。
dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm

在telecentric光學系統(tǒng)下，成像的大小的變化取決于” telecentric 曲線”，一個高品質(zhì)遠心鏡頭的曲線角度(theta)能趨近于0.1°(0,0017 rad)，代表當物體同樣移動1毫米 (ds = 1mm) 時，其成像將只會有0.0017毫米的改變。
dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm

因此相較于標準鏡頭，遠心鏡頭能將放大倍率的誤差縮小至1/10或甚至1/100。

 

上圖：遠心曲線決定了物體被移動時成像改變的倍率。

“Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在維持放大倍率下能擺設物體的范圍。然而當物體不在telecentric range中并不代表鏡頭功能就不具遠心的特性，影像的變異程度主要是由鏡頭的”遠心曲線” (由前文的” theta”所定出來的) 或 ”遠心度”所決定，這個曲線決定了物體在移動時造成的影像誤差大小，然而當主要入射光束與光軸”平行”時，成像的大小就不會因物體置放的距離而影響。由于遠心鏡頭必須接收與光軸平行的入射光源，遠心鏡頭的尺寸必須比拍攝物體還大，因此遠心鏡頭會比一般鏡頭大且厚重，成本也比一般鏡頭高。

二、低失真度 (DistorTIon)

影像的變形是限制光學量測準確性的重要因素之一，再好的鏡頭都還是無法避免。然而有時候一或數(shù)個像素的錯誤可能具決定性的影響。 失真度也可以說是影像與實際畫面的差異度。失真度是利用影像點與影像中心位置的距離和在標準影像(未失真影像)的實際距離之間的差異來計算。舉例來說，一個與畫面中心距離200像素的標的在影像畫面中只有和中心點間隔198個像素，其失真度則為：
distorTIon = (198-200)/200 = -2/200 = 1%

 

正向放射性失真 (PosiTIve radial distortion) 也被稱為 “pincushion” 性失真，負向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另稱為 “barrel” distortion。此類的變形和影像中心的距離大小有絕對的關聯(lián)性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion

 

影像的失真可被視作真實畫面經(jīng)過二維幾何性變形的結(jié)果，由于通常不是線性改變而是二或三度的多項式的變形，影像會被些許的拉扯及扭曲。
一般的鏡頭具有數(shù)度或數(shù)十度的失真度，不過由于大部分的影像鏡頭是用在一般監(jiān)測系統(tǒng)或普通攝影中，些許的影像失真是能被容許的，但此瑕疵讓精密影像測量變的困難。

高品質(zhì)的遠心鏡頭只具有低于0.1%失真度的特性，雖然這個數(shù)次聽起來很小，但在高分辨率的攝影機下仍能造成將近一個像素的誤差。因此許多失真的影像會利用軟件做校正：將校正用圖樣(此圖樣的精密度必須比)置于鏡頭下方拍攝，之后利用軟件計算影像校正公式，將失真影像做校正。由于影像的失真程度與物體和鏡頭的距離有極高的關聯(lián)性，因此必須格外留意物體在被攝影時與鏡頭的距離。

除了與遠心鏡頭的距離以外，物體和遠心鏡頭之間必須盡量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”，所謂的梯形性失真(或稱” Keystone” or thin prism effect”) 是另一個影像測量系統(tǒng)中必須克服的問題，如果拍攝物體沒有被放置于中心點，此類的影像通常據(jù)非對稱性也很難利用軟件校正。

為一張使用遠心鏡頭所拍攝的不失真影像；中圖為同一個畫面但具放射性變形的影像；右圖為同一個畫面但具有梯形性失真的影像。

 

三、視角誤差

使用一般光學鏡頭拍攝非平面物體時，物體的大小會因為距離而改變。因此拍攝管柱形物體時，管柱頂端與底端會成被拍攝成像為同心圓而非同樣的雙圓。而在遠心鏡頭下，圓柱底端則會與柱頂?shù)膱A完全重疊。

為一般鏡頭下常見的視角誤差。右圖由遠心鏡頭所拍攝的影像能不會出現(xiàn)此問題。

 

這個現(xiàn)象是因為光束路徑的特殊性而造成的，在一般光學鏡頭下，沒有與光軸平行的縱向光束會在感光源件上投射成平行距離，然而只些接收平行光束的遠心鏡頭則不會有同樣的問題。

一般鏡頭通常會將3D物體的立體影像(包括空間距離)轉(zhuǎn)換成2D影像，而遠心鏡頭只會紀錄2D平面影像而不受物體的立體距離影響，這個特性在影像量測系統(tǒng)中具有極大的優(yōu)勢。

 

一般鏡頭會將光束(鏡頭左邊)的縱向距離投射成平行影像，而遠心鏡頭不會有這種情形

四、高影像分辨率

影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)將影像的對比清晰度量化。
使用不同分辨率鏡頭拍攝USAF test pattern的結(jié)果：左圖高分辨率影像，右圖低分辨率影像。

 

很多影像系統(tǒng)是利用多個低畫素相機搭配低分辨率的便宜鏡頭，因而只得到非常模糊的影像。而遠心鏡頭的高分辨率讓它能搭配低像素高分辨率的相機而依然得到良好的影像品質(zhì)。

五、銳利的邊緣影像

影像拍攝時，背景光線常常會讓物體的輪廓變的難以界定(border effects)，主要是因為背景的強光會與物體邊緣的陰影重疊，除此之外，當光線自不同角度投射于物體上時，某些光源被物體反射后仍然被鏡頭所接收(如下圖十一所示)，這種光線常常會被誤判來自物體背后，造成邊緣判定上的誤差，因此當物體具有高度立體特性時容易會出現(xiàn)誤差。

 

在一般鏡頭下常見的Border effects能在遠心鏡頭下有明顯的改善

這個問題在遠心鏡頭下能被明顯的改善，當光圈縮的夠小時，只有與光軸平行的光束能通過鏡頭，因此被物體反射的光線就不會被接收，影像的精準性也就能明顯提升。

如果想要更進一步的提升影像的品質(zhì)，可利用collimated (或稱 “telecentric”) 照明設備搭配遠心鏡頭，在這種配備能讓相機與光源互相配合，讓所有自collimated光源發(fā)出的光都能是被鏡頭所接收的平行光束，讓噪聲與曝光時間都能大幅的降低。除此之外，邊緣定位的問題也因光源的控制而有明顯的改善。

Collimated (telecentric)光源設備只提供與光軸接近平行的光束。

一、對工業(yè)鏡頭的選擇，我們首先必須確定客戶需求：

•1、視野范圍、光學放大倍數(shù)及期望的工作距離：
在選擇工業(yè)鏡頭時，會選擇比被測物體視野稍大一點的工業(yè)鏡頭，以有利于運動控制。