機(jī)器視覺的鏡頭選擇.doc

深圳稻草人自動化培訓(xùn)機(jī)器視覺的鏡頭選擇 機(jī)器視覺為工業(yè)控制系統(tǒng)增加了新的維度，它可以提供裝配線上零件的尺寸、位置和方向。而合適的鏡頭選擇對于機(jī)器視覺能否發(fā)揮應(yīng)有的作用是非常重要的。 機(jī)器視覺在控制工業(yè)流程當(dāng)中的作用越來越重要了，尤其是在機(jī)器人引導(dǎo)、目標(biāo)識別和質(zhì)量保證等領(lǐng)域。當(dāng)前優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)已經(jīng)超出了那些基本功能（例如辨別零件和確定方向）的范疇，還可以提供后續(xù)功能的信息，比如將物體從一個位置移至另一個。 對于裝配線和大量檢測操作中使用的機(jī)器人系統(tǒng)，比如汽車生產(chǎn)和檢測線，傳送帶通常是參考。這里，機(jī)器人執(zhí)行兩項任務(wù)：識別和傳送。 在絕大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用里，光學(xué)控制都是非常重要的。機(jī)器人視覺系統(tǒng)同樣要求極高的可重復(fù)性，因此減少抖動提供清晰圖像是必要的。 在類似藥品工廠這樣的大規(guī)模單位檢測線上，視覺系統(tǒng)必須能夠辨識缺陷包、不可讀標(biāo)簽和產(chǎn)品缺失。視覺系統(tǒng)必須能夠以極高的準(zhǔn)確度快速識別和測量方形、圓形和橢圓形物體。提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的精確度，可以幫助保持統(tǒng)一的包裝表面和顏色。對于食品檢測系統(tǒng)，產(chǎn)品的尺寸、顏色、密度和形狀都需要依靠多元檢測才確定。多元機(jī)器視覺系統(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)、分析軟件和照明對于機(jī)器視覺系統(tǒng)都是十分重要的，可能最關(guān)鍵的元件還是成像鏡頭。系統(tǒng)若想完全發(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)選擇鏡頭的時候，機(jī)器視覺集成商應(yīng)該考慮四個主要因素： 可以檢測物體類別和特性； 景深或者焦距； 加載和檢測距離； 運行環(huán)境。分析這四個因素，可以針對具體應(yīng)用確定合適的鏡頭選擇。 主要放大率是指傳感器上圖像尺寸對于實際物體大小的比例。物體特性 在為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇鏡頭之前，系統(tǒng)集成商必須確定物體和分析環(huán)境。這個可視區(qū)域叫做無遮擋視場（FOV），它可以使用豎直和水平兩個角度進(jìn)行測量。通常，豎直方向和水平方向尺寸的比例是4：3，這個比例取決于照相機(jī)傳感器工作區(qū)域的尺寸。傳感器的大小對于確定無遮擋視場所需要的主要放大率（PMAG）是非常重要的。PMAG是由傳感器尺寸與FOV相比得到，是鏡頭的工作成效。當(dāng)確定鏡頭是否合適的時候，這一點需要考慮。 鏡頭放大率對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，后者是由光管長度和實際物鏡焦距決定的。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，也就是整個系統(tǒng)的“工作”結(jié)果?？紤]物體的屏幕尺寸時，系統(tǒng)放大率是有用的。 物體的特性也很重要。鏡頭對于物體特征的解析能力依賴于特征的對比是否強烈。確定系統(tǒng)解析度、或者物體最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）來決定特征。其他的解像力方法還可以用圓圈和點狀網(wǎng)格。 鏡頭在指定光線條件下辨識特定寬度的線耦或者點距的能力，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。 圖形顯示了指定線耦頻率下可行的相對對比度。扭曲、色差和其他波前畸變都會影響曲線的斜率，使曲線偏離理想狀態(tài)或者衍射極限的光學(xué)表現(xiàn)。鏡頭方案有時候會以每毫米線耦數(shù)量（lp/mm）為單位列出物體解析度，再將這個值除以1000就可以預(yù)測出鏡頭每微米的物體解析度。 在進(jìn)行表面剖析的時候，通常不只使用一臺照相機(jī)和鏡頭，而了解鏡頭的內(nèi)在偏差（aberration）量也是有價值的。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，所以在最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)用優(yōu)秀的解決方案，因為它具有高解析度、低扭曲和有限色差。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)用具有很高的價值。距離約束 自動化機(jī)器視覺系統(tǒng)和裝配線所需的空間差異很大，可以只有幾米，也可能需要一整座廠房。所謂的工作距離，是指當(dāng)圖像在焦距范圍內(nèi)的時候，物體和照相機(jī)鏡頭前端的距離。它限制了視覺系統(tǒng)以及和視覺系統(tǒng)一起工作的設(shè)備所需要的空間。有一些應(yīng)用，比如通過真空爐端口觀察，工作距離非常靈活，近焦鏡頭和長工作距離視頻顯微鏡頭都可以使用。其他的應(yīng)用，比如強電微觀檢測，工作距離就只有幾個英寸。 在極限范圍內(nèi)，通過鏡頭重新對焦，可以改變工作距離。無限共軛鏡頭的對焦距離可以從最小工作距離一直到無限遠(yuǎn)，有限共軛鏡頭則有一個特定工作距離范圍。 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。比如在很多安裝場合，感興趣的產(chǎn)品區(qū)域和產(chǎn)品線可能在檢測過程中發(fā)生變化，這就要求視覺系統(tǒng)和視覺元件可以根據(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：通過縮放功能或者隔離。縮放鏡頭可以調(diào)整照相機(jī)系統(tǒng)的視場，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應(yīng)。縮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，這會帶來扭曲同時降低解析度。因此，除非空間調(diào)整是在5mm之內(nèi)或者鏡頭的設(shè)計就帶有隔離器，否則隔離器不是一個推薦的方案?；镜溺R頭設(shè)計因素可以確定圖像特性景深 光學(xué)系統(tǒng)的性能取決于允許的圖像模糊程度，模糊可能源于物體平面或者圖像 平面的位置漂移。景深是指由探測器移動引起的可以接受的模糊范圍，它依賴于工作F數(shù)（F/#），可以用來衡量鏡頭的聚光能力。F/#在鏡頭孔徑減小時增加。減小鏡頭孔徑，就意味著增加F/#，也就是增加系統(tǒng)景深，但是卻減少了傳感器的進(jìn)光量，所以要提高照明等級進(jìn)行補償。列出景深的鏡頭方案也應(yīng)該給出相應(yīng)的F/#值，如果這個值可以測量的話。 景深效果（DOF）是指由于物體移動導(dǎo)致的模糊。DOF是完全在焦距范圍內(nèi)最大的物體深度，它也是保持理想對焦?fàn)顟B(tài)下物體允許的移動量（從最佳焦距前后移動）。當(dāng)物體的放置位置比工作距離近或者遠(yuǎn)的時候，它就位于焦外了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出于這個原因，DOF同指定的解析度和對比度相配合。當(dāng)景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑（也就是增加F/#值）來變大，同時也需要光線增強。 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)計成超焦或者可超焦的，這就意味著焦內(nèi)的遠(yuǎn)點可以拓展到無限遠(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，無論它距離照相機(jī)有多遠(yuǎn)。這種鏡頭一個實際應(yīng)用的例子是分析計算機(jī)電路板。遠(yuǎn)心鏡頭通常有一個工作距離范圍，在每一個工作距離點形成有限的景深。集成商在為一個項目選擇遠(yuǎn)心鏡頭的時候，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，比如說管道檢測，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)常變換焦距的場合。這些鏡頭經(jīng)常是馬達(dá)驅(qū)動的，可以保證在對焦平面上平滑移動。使用這樣的鏡頭，整個管道、每一個環(huán)節(jié)都可以掃描到，通過調(diào)整焦距來發(fā)現(xiàn)每個缺陷。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。環(huán)境的重要性 機(jī)器視覺系統(tǒng)的環(huán)境因素包括物體反射系數(shù)、光線、溫度、振動和污染物。物體的反射會導(dǎo)致高光，還可能使特征模糊。鏡頭外殼和遮光罩中的障板可以降低光散引起的高光現(xiàn)象。障板為不透明的圓片，為鏡頭的中心孔徑特別設(shè)計，可以限制到達(dá)傳感器的光線。極化或者散射光源同樣也可以避免物體反射出現(xiàn)的熱點。 光，尤其是單色光，可以使物體的對比度提高，使鏡頭圖像的質(zhì)量最大化。在使用黑白照相機(jī)的時候，對比度是非常重要的，可以通過加減過程產(chǎn)生。在加法過程中，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的應(yīng)用很有價值。 相反，在減法系統(tǒng)中，濾鏡屏蔽了物體周邊的反射光，這使得物體看起來比周邊明亮。像藥丸檢測這樣的應(yīng)用，物體的顏色可能是它僅有的特征，這時候就要使用濾鏡。 高溫環(huán)境下，可能因為鏡頭里光學(xué)元件的熱膨脹出現(xiàn)問題。并不是所有的鏡頭都可以適應(yīng)溫度變化，在檢測熱物體時，最好使用工作距離比較長的鏡頭。 另外一個要考慮的因素是振動。通常需要將鏡頭裝載到和照相機(jī)隔離的平臺和桌面上，來減少振動。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立平臺上吧。固定在獨立平臺上的機(jī)械手就經(jīng)常用來裝載照相機(jī)和鏡頭。 工業(yè)換件下的污染物會腐蝕鏡頭表面。極端環(huán)境光學(xué)（HEO）產(chǎn)品進(jìn)行了專門設(shè)計，即便是長期暴露在嚴(yán)酷環(huán)境下，也可以提供高質(zhì)量的圖像。因為它的光學(xué)元件是嚴(yán)格