Dlaczego zniekształcenie soczewki ma znaczenie w pomiarach widzenia maszynowego

Wprowadzenie: Mały błąd geometryczny może stać się dużym problemem podczas kontroli

W przypadku widzenia maszynowego soczewka może dawać ostry obraz, a mimo to być niewłaściwą soczewką do danego zadania.

Może to brzmieć sprzecznie z intuicją. Jeśli kamera inspekcyjna wyraźnie widzi element, otwór lub krawędź, czy system nie powinien być w stanie dokładnie tego zmierzyć? Nie koniecznie. Ostrość obrazu i dokładność geometryczna to różne właściwości. Obiektyw może rozróżnić drobne szczegóły, przekształcając linie proste w krzywe lub zmieniając skalę obrazu od środka w kierunku krawędzi.

W zastosowaniach takich jak kontrola wymiarowa, pozycjonowanie, wyrównywanie i wykrywanie defektów to rozróżnienie ma znaczenie. Niewielki błąd geometryczny może mieć wpływ na decyzję o pozytywnym/negatywnym wyniku, przesunąć punkt wyboru robota lub spowodować niespójne pomiary na linii produkcyjnej.

W tym artykule wyjaśniono, co w praktyce oznacza zniekształcenie obiektywu, kiedy ma to największe znaczenie, w jaki sposób kalibracja jest pomocna i co inżynierowie powinni omówić z dostawcą obiektywu przed przystąpieniem do projektowania.

Co to jest zniekształcenie obiektywu?

Zniekształcenie obiektywu to aberracja geometryczna zmieniająca się w miejscach, w których na obrazie pojawiają się punkty sceny. Jest powszechnie opisywany jako zniekształcenie beczkowe, zniekształcenie poduszkowe lub bardziej złożona kombinacja tych dwóch.

W przypadku zniekształcenia beczkowego powiększenie obrazu ma tendencję do zmniejszania się w kierunku krawędzi, więc proste linie mogą wyginać się na zewnątrz. W przypadku zniekształcenia poduszkowego linie mogą wyginać się do wewnątrz. Systemy szerokokątne mogą również wykazywać bardziej złożone wzorce zniekształceń, których nie można odpowiednio opisać jednym prostym współczynnikiem.

Zniekształcenie nie musi oznaczać, że obraz jest nieostry. Krawędź o wysokim kontraście może pozostać ostra, ale pojawić się w nieco innym miejscu niż oczekiwano. W przypadku monitorowania wizualnego może to być dopuszczalne. W przypadku pomiaru może to być źródłem błędu systematycznego.

Przydatnym rozróżnieniem jest:

Rozdzielczość opisuje, ile szczegółów może rozróżnić system obrazowania.

Zniekształcenie opisuje, jak wiernie system zachowuje geometrię sceny.

Powtarzalność opisuje, czy system zwraca spójne wyniki w tych samych warunkach.

Skuteczny system widzenia maszynowego może wymagać wszystkich trzech, ale priorytety zależą od zadania.

Kiedy zniekształcenia stają się problemem?

Pomiar wymiarowy

Jeśli oprogramowanie konwertuje piksele na milimetry przy użyciu prostego współczynnika skali, zakłada się, że skala obrazu jest wystarczająco spójna w całym obszarze pomiaru. Zniekształcenie może naruszyć to założenie. Wymiar mierzony w pobliżu środka może nie być odwzorowany w tej samej skali fizycznej, co identyczny wymiar w pobliżu narożnika.

Prowadzenie i pozycjonowanie robota

Kiedy kamera prowadzi robota, współrzędne obrazu są przekształcane na współrzędne używane przez robota lub system przenośników. Jeśli soczewka wprowadzi nieskorygowany błąd geometryczny, szacowana pozycja może się przesunąć. Wpływ zależy od kąta kamery, odległości roboczej, metody kalibracji i wymaganej tolerancji umiejscowienia.

Kontrola PCB, komponentów i sieci

Systemy inspekcji często porównują pozycje lub kształty obiektów z odniesieniem. Zniekształcenie może sprawić, że nominalnie prosty element będzie wyglądał na zakrzywiony lub spowodować przesunięcie położenia krawędzi. Może to skomplikować porównanie w terenie, szczególnie gdy obszar kontroli zajmuje większą część czujnika.

Monitorowanie szerokiego pola

Nie każda aplikacja wymaga niskich zniekształceń. W niektórych systemach nadzoru lub świadomości sytuacyjnej zasięg może być ważniejszy niż zachowanie linii prostych. Jednak w zastosowaniach pomiarowych lub mapowych kluczowym wymaganiem może być dokładność geometryczna. Właściwy obiektyw to ten zoptymalizowany pod kątem danego zadania, a nie taki, który ma najmniejszy współczynnik zniekształceń w izolacji.

Obiektyw o niskim zniekształceniu czy korekcja programowa?

Nie ma uniwersalnej odpowiedzi. Konstrukcja optyczna i kalibracja oprogramowania mogą się uzupełniać, ale rozwiązują problem na różne sposoby.

Soczewka o niskim zniekształceniu zmniejsza optycznie odchylenie geometryczne, zanim obraz dotrze do czujnika. Może to uprościć dalsze przetwarzanie i pomóc zachować bardziej jednolite mapowanie w całym terenie.

Korekcja oprogramowania wykorzystuje skalibrowany model do ponownego odwzorowania współrzędnych obrazu. Może być skuteczna, gdy zniekształcenie jest stabilne, a procedura kalibracji jest odpowiednia. Korekta może jednak polegać na ponownym próbkowaniu pikseli, przycięciu użytecznego obszaru obrazu i zależeć od ostrości, położenia obiektywu, ustawienia czujnika i utrzymywania wystarczająco stałej temperatury.

Ważne jest również odróżnienie korekcji zniekształceń od korekcji perspektywy. Kamera obserwująca płaski obiekt pod kątem wprowadza efekty perspektywiczne, nawet jeśli sam obiektyw ma znikome zniekształcenia. W procesie kalibracji może być konieczne modelowanie obu.

Rozsądny proces rozwoju polega najpierw na zdefiniowaniu wymaganej dokładności pomiaru, a następnie ocenie, czy odpowiednia jest korekcja optyczna, korekcja programowa lub kombinacja.

A co z obiektywem telecentrycznym?

Soczewki telecentryczne są często brane pod uwagę, gdy dokładność pomiaru jest ważniejsza niż niewielkie rozmiary lub szerokie pokrycie głębokości. W konstrukcji telecentrycznej obiekt-przestrzeń, główne promienie są w przybliżeniu równoległe w przestrzeni obiektu, co zmniejsza zmiany powiększenia spowodowane małymi zmianami odległości obiektu.

Może to być przydatne do pomiaru płaskich części, sprawdzania średnic lub sprawdzania komponentów, których wysokość nieznacznie się różni. Jednak optyka telecentryczna nie jest automatycznie najlepszym wyborem dla każdego systemu wizyjnego. Mogą być większe, droższe i wymagać określonej odległości roboczej i pola widzenia.

Konwencjonalny obiektyw o niskim poziomie zniekształceń może być lepszym rozwiązaniem, gdy ważniejsza jest przestrzeń, koszt lub pokrycie pola. Decyzja powinna uwzględniać rzeczywistą tolerancję i ograniczenia mechaniczne.

Sześć pytań, na które należy odpowiedzieć przed wyborem obiektywu

Przed złożeniem zapytania o wycenę inżynierowie i kupujący powinni przygotować następujące informacje:

1. Jaka jest tolerancja pomiaru? 

System zaprojektowany do wykrywania poważnych wad ma różne potrzeby, od pomiaru cechy po wąską tolerancję wymiarową.

2. Jaki jest format czujnika i rozmiar piksela? 

Koło obrazu obiektywu i rozdzielczość muszą odpowiadać sensorowi.

3. Jakie pole widzenia i odległość robocza są wymagane? 

Definiują one geometrię obrazowania i silnie wpływają na wybór obiektywu.

4. Gdzie będzie znajdował się interesujący Cię region? 

Mały obszar centralny może być mniej wrażliwy na zniekształcenia niż pomiar obejmujący pełną klatkę.

5. Czy kamera lub obiekt się poruszy? 

Ruch, wibracje i zmieniająca się odległość robocza mogą wpływać na stabilność kalibracji.

6. W jaki sposób system będzie kalibrowany? 

Należy wcześnie określić cel kalibracji, procedurę, temperaturę roboczą i kryteria akceptacji.

Dostawca może skuteczniej rekomendować, jeśli takie szczegółowe informacje są dostępne. „Niski poziom zniekształceń” sam w sobie nie jest pełną specyfikacją.

Jak sprawdzić obiektyw w rzeczywistym systemie

Arkusz danych jest punktem wyjścia, a nie substytutem testowania aplikacji. Użyj skalibrowanej siatki lub innego odpowiedniego celu referencyjnego w zamierzonym polu widzenia. Sprawdź działanie środka i krawędzi, w razie potrzeby powtórz pomiar po ponownym ogniskowaniu lub ponownym montażu i zweryfikuj wynik przy rzeczywistej odległości roboczej.

Jeżeli aplikacja działa w pewnym zakresie temperatur, należy uwzględnić reprezentatywne warunki termiczne. Jeśli korekta oprogramowania jest częścią planu, zweryfikuj cały łańcuch przetwarzania obrazu, a nie oceniaj wyłącznie surowy obraz.

Przydatne jest również zdefiniowanie jasnego miernika akceptacji. Może to być maksymalny błąd resztkowy po kalibracji, powtarzalność zmierzonego wymiaru lub błąd pozycjonowania w określonych lokalizacjach obrazu. Właściwa metryka zależy od przypadku użycia.

Gdzie może pomóc optyka Boshi

Optyka Boshiegoobsługuje produkty optyczne dla bezpieczeństwa, obrazowania przemysłowego, elektroniki samochodowej, obrazowania medycznego i innych zastosowań kamer. W przypadku projektów wymagających obiektywu kompaktowego lub konfiguracji optycznej dostosowanej do konkretnego zastosowania klienci mogą zacząć od przejrzeniaGama obiektywów M12lub omawianie wymagań w ramach niestandardowych produktów optycznych.

Aby przeprowadzić użyteczną dyskusję techniczną, należy podać model czujnika, rozmiar celu, pole widzenia, odległość roboczą, dostępną obwiednię mechaniczną, środowisko pracy i wymaganą tolerancję pomiaru. Szczegóły te pomagają ustalić, czy odpowiedni jest standardowy obiektyw, czy też należy ocenić bardziej wyspecjalizowany projekt.

Wniosek: określ błąd, który możesz zaakceptować

Wybór soczewek do widzenia maszynowego to nie tylko poszukiwanie ostrego obrazu. Kiedy system mierzy, wyrównuje lub kieruje ruchem, wierność geometryczna może być równie ważna jak rozdzielczość.

Zacznij od tolerancji aplikacji. Zrozum, gdzie zniekształcenia mają znaczenie w polu widzenia. Zdecyduj, jak wydajność optyczna i kalibracja będą ze sobą współdziałać, a następnie zweryfikuj cały system kamer w realistycznych warunkach.

Najbardziej użytecznym pytaniem nie jest po prostu: „Czy ten obiektyw charakteryzuje się niskim poziomem zniekształceń?” Pytanie brzmi: „Czy ten system obrazowania może zapewnić wymaganą dokładność w powtarzalny sposób, w sposób, w jaki będzie faktycznie używany?”