Wybór obiektywu do robotyki: co ma znaczenie poza polem widzenia

Robot mobilny może mieć doskonałe silniki, niezawodne oprogramowanie nawigacyjne i mocny procesor, a mimo to podejmować błędne decyzje, jeśli jego kamera nie rejestruje odpowiednich informacji wizualnych.

W przypadku autonomicznego pojazdu sterowanego (AGV), robota magazynowego, robota inspekcyjnego lub robota serwisowego obiektyw kamery to nie tylko mała część przymocowana do czujnika. Określa, jaka część otoczenia pojawia się na obrazie, w jaki sposób obiekty są reprezentowane i w jaki sposób system wizyjny może interpretować to, co widzi.

Wybór obiektywu do robotyki zaczyna się zatem od zadania, jakie ma wykonać aparat. Obiektyw zaprojektowany z myślą o szerokiej świadomości przeszkód może nie być idealny do czytania małych etykiet, sprawdzania złącza lub pomiaru elementu. Właściwy wybór zależy od ruchu robota, umiejscowienia kamery, czujnika, oświetlenia i informacji potrzebnych algorytmowi wizyjnemu.

1. Przed wyborem soczewki zdefiniuj zadanie związane z widzeniem

„Wizja robota” obejmuje wiele różnych zadań. Nawigacja i wykrywanie przeszkód często wymagają szerokiego widoku na otoczenie. Systemy pick-and-place mogą wymagać dokładnego zlokalizowania obiektu. Roboty inspekcyjne mogą wymagać ujawnienia drobnych defektów lub szczegółów powierzchni. Robot dostawczy może potrzebować rozpoznawać ludzi, drzwi, znaki i granice pięter.

Zapisz, co kamera musi wykryć lub zmierzyć. Następnie określ, gdzie na obrazie pojawiają się te informacje i ile szczegółów jest wymaganych. Jeśli algorytm musi jedynie wykryć obecność przeszkody, wymagania dotyczące obiektywu mogą różnić się od wymagań systemu, który musi oszacować wymiary obiektu lub odczytać kod.

Ten krok pomaga również uniknąć płacenia za wydajność optyczną, z której aplikacja nie korzysta. Bardzo szerokie pole widzenia może ułatwić nawigację, ale może zmniejszyć liczbę pikseli dostępnych do przedstawienia odległego obiektu. Węższy widok może zapewnić więcej szczegółów w obszarze docelowym, ale może pozostawić mniej widocznych obszarów otoczenia.

Zacznij od wymaganego rezultatu, a nie od ulubionej ogniskowej.

2. Dopasuj obiektyw do matrycy – nie tylko jej liczbę megapikseli

Rozdzielczość czujnika jest ważna, ale nie wystarczy do ustalenia kompatybilności obiektywu. Aktywne wymiary czujnika, rozmiar piksela, odpowiedź widmowa i wymagania optyczne mogą mieć wpływ na wynik.

Okrąg obrazu obiektywu musi zakrywać obszar czujnika. Jeżeli tak nie jest, na obrazie mogą być widoczne przyciemnione rogi lub obszary nienadające się do użytku. Należy także ocenić wydajność optyczną w tej części czujnika, która ma znaczenie dla danego zastosowania. System może wydawać się ostry w środku, ale nie ma wystarczającego kontrastu w pobliżu krawędzi, aby można było go rozpoznać.

Prosząc dostawcę soczewek o rekomendację, o ile to możliwe, podaj producenta czujnika i model. Arkusz danych czujnika jest jeszcze lepszy. Daje to zespołowi optycznemu bardziej niezawodny punkt wyjścia niż „potrzebujemy obiektywu 8 MP”.

Kompletny system aparatu — obejmujący czujnik, obiektyw, położenie ostrości i przetwarzanie obrazu — decyduje o ostatecznym wyniku. Etykieta megapikselowa to przydatny filtr do tworzenia krótkiej listy kandydatów, a nie gwarancja wydajności systemu.

3. Oblicz pole widzenia w rzeczywistej odległości roboczej

Pole widzenia (FOV) opisuje kątowe pokrycie kamery. W przypadku robotyki należy to przełożyć na pytanie praktyczne: jak szeroki obszar musi widzieć robot z odległości, w której odbywa się wykrywanie lub pomiar?

Odpowiedź zależy od ogniskowej i wymiarów matrycy, a także położenia i orientacji aparatu. Obiektyw zapewniający wystarczające pokrycie, gdy jest zamontowany wysoko na robocie, może nie pokrywać tego samego użytecznego obszaru, gdy jest zamontowany blisko podłogi lub za oknem ochronnym.

Przygotuj prosty rysunek z pozycją kamery, odległością docelową oraz żądaną szerokością i wysokością sceny. Podaj najbliższą i najdalszą odległość, na której system musi działać. Jest to szczególnie ważne, gdy robot zbliża się do obiektów, skręca w zamkniętych przestrzeniach lub pracuje wokół półek i maszyn.

Nie wybieraj obiektywu wyłącznie na podstawie liczby przekątnej FOV, jeśli algorytm opiera się na pokryciu poziomym lub określonym obszarze zainteresowania. Poproś o poziome i pionowe pole widzenia w ramach zamierzonej konfiguracji czujnika i sprawdź wynik w zmontowanym systemie.

4. Zrozum kompromis pomiędzy szerokim zakresem a użytecznymi szczegółami

Szerszy obiektyw może uchwycić większą część sceny, ale te same piksele czujnika muszą reprezentować większy obszar. W rezultacie mały obiekt może zajmować mniej pikseli i trudniej go sklasyfikować lub zmierzyć.

Obiektywy szerokokątne mogą również wprowadzać zniekształcenia geometryczne. Zniekształcenie nie jest automatycznie wadą: może być akceptowalne dla ogólnej świadomości lub czasami można je skorygować za pomocą kalibracji i oprogramowania. Jeśli jednak robot potrzebuje dokładnych pomiarów geometrycznych, na większą uwagę zasługują zachowanie zniekształceń i stabilność kalibracji.

Przydatnym pytaniem nie jest: „Czy obiektyw szerokokątny jest lepszy?” Pytanie brzmi: „Jak duży zasięg jest potrzebny i jaki jest najmniejszy obiekt lub cecha, którą system musi rozpoznać?”

W przypadku niektórych robotów jedna kamera nie jest w stanie skutecznie wykonać każdego zadania. Kamera o szerokim polu widzenia może wspierać nawigację, podczas gdy druga kamera o węższym polu widzenia umożliwia inspekcję z bliska. To, czy taka architektura ma sens, zależy od kosztów, przestrzeni, zasobów obliczeniowych i wymagań dotyczących niezawodności.

5. Weź pod uwagę ruch, ekspozycję i oświetlenie

Roboty rzadko działają w doskonale kontrolowanym środowisku fotograficznym. Poruszają się, wibrują, przechodzą pomiędzy jasnymi i ciemnymi obszarami i napotykają zmieniające się oświetlenie. Obiektyw o dużej aperturze może pomóc w dostarczeniu większej ilości światła do czujnika, ale nie eliminuje rozmycia spowodowanego ruchem ani nie gwarantuje dokładnego wykrywania.

Czas ekspozycji, czułość czujnika, oświetlenie, liczbę klatek na sekundę i prędkość robota należy rozpatrywać łącznie. Jeśli robot porusza się szybko, może być konieczna krótka ekspozycja, aby ograniczyć rozmycie. Może to wymagać silniejszego oświetlenia lub czujnika o odpowiedniej wydajności przy słabym oświetleniu.

W przypadku robotów pracujących w pomieszczeniach migoczące oświetlenie LED, odblaskowe podłogi i zmieniające się światło dzienne w pobliżu okien mogą wpływać na spójność obrazu. Roboty zewnętrzne muszą mierzyć się z dodatkowymi wyzwaniami związanymi z bezpośrednim działaniem promieni słonecznych, cieniami, deszczem i pracą w nocy. Jeśli używane jest oświetlenie w bliskiej podczerwieni, należy sprawdzić, czy obiektyw i konfiguracja filtrów są odpowiednie dla zamierzonej długości fali.

Jeśli to możliwe, przetestuj przy reprezentatywnym oświetleniu i ruchu. Stacjonarny obraz ławki jest przydatny, ale nie jest w stanie odtworzyć wszystkich warunków napotkanych na ruchomej platformie.

6. Sprawdź obudowę mechaniczną i wymagania środowiskowe

Kamery robotyki często mają ścisłe ograniczenia przestrzenne. Średnica obiektywu, całkowita długość ścieżki, typ mocowania, regulacja ostrości, pozycja czujnika i obudowa ochronna mają wpływ na możliwość zintegrowania obiektywu.

Soczewka pasująca do gwintu może w dalszym ciągu kolidować z osłoną, znajdować się zbyt daleko od czujnika lub mieć trudności z ustawieniem ostrości po montażu. Jeśli kamera znajduje się za okienkiem ochronnym, okienko to również może mieć wpływ na jakość obrazu i należy to wziąć pod uwagę podczas oceny systemu.

Warunki środowiskowe również mają znaczenie. Robot magazynowy, zewnętrzna platforma inspekcyjna i robot do przetwarzania żywności nie mają identycznych wymagań. Zakres temperatur, wibracje, kurz, wilgoć, środki czyszczące i wymagania dotyczące uszczelnień należy określić zgodnie z rzeczywistym przypadkiem użycia, a nie zakładać na podstawie szerokiej etykiety, takiej jak „przemysłowy”.

Przed przystąpieniem do niestandardowego projektu należy dostarczyć rysunek mechaniczny lub zwymiarowany szkic. Zwykle łatwiej jest zidentyfikować konflikty na etapie projektowania niż po zbudowaniu próbek obudowy aparatu i obiektywu.

7. Kiedy warto rozważyć niestandardowy obiektyw do robotyki?

Standardowy obiektyw jest często rozsądnym wyborem, jeśli spełnia wymagania optyczne, mechaniczne i komercyjne. Personalizacja staje się istotna, gdy projekt ma ograniczenia, których nie są w stanie spełnić dostępne produkty katalogowe — na przykład nietypowe pole widzenia w małym opakowaniu, specjalne wymagania spektralne, niestandardowa odległość robocza lub specyficzna docelowa jakość obrazu.

Przed rozpoczęciem niestandardowego projektu zbierz arkusz danych czujnika, docelowe pole widzenia, zakres odległości roboczej, dostępne wymiary, warunki oświetleniowe, ograniczenia środowiskowe i szacowaną wielkość produkcji. Udostępnij przykładowe zdjęcia lub szkic pola widzenia kamery, jeśli jest dostępny.

Dane wejściowe pomagają zespołowi optycznemu ocenić wykonalność i zidentyfikować kompromisy. Ułatwiają także określenie, czy adaptacja istniejącego obiektywu mogłaby spełnić wymagania przy niższych kosztach i krótszym czasie opracowywania.

Personalizacja powinna rozwiązać zdefiniowany problem, a nie tylko sprawić, że produkt będzie inny.

Wniosek: projekt pod kątem zadania, które robot ma wykonać

Wybór obiektywu aparatu do robotyki jest decyzją podejmowaną na poziomie systemu. Czujnik, pole widzenia, odległość do celu, zniekształcenie, oświetlenie, ruch, przestrzeń mechaniczna i środowisko operacyjne – wszystko to ma wpływ na wynik.

W przypadku nowej platformy robota warto zdefiniować zadanie wizyjne przed sfinalizowaniem specyfikacji obiektywu. W przypadku istniejącego systemu, w którym wykrywanie jest niespójne lub jest niewystarczające, przejrzyj całą ścieżkę obrazu, zanim założysz, że odpowiedzialny jest sam obiektyw.

Boshi Optics, część Shanghai Silk Optical Technology Co., Ltd., zajmuje się projektowaniem i produkcją soczewek optycznych do zastosowań w obrazowaniu, ze standardowymi i niestandardowymi opcjami w wielu kategoriach produktów. Jeśli projektujesz pojazd AGV, robota inspekcyjnego lub inne urządzenie umożliwiające obserwację, udostępnij model czujnika, pokrycie celu, odległość roboczą, ograniczenia mechaniczne i oczekiwaną objętość, aby rozpocząć praktyczną dyskusję na temat soczewek.

Poznaj naszeGama obiektywów M12 Iniestandardowe produkty optyczne lub skontaktuj się z nami poprzezWitryna internetowa firmy Boshi Optics aby omówić Twoją aplikację.