機器視覺的鏡頭選擇.doc

深圳稻草人自動化培訓機器視覺的鏡頭選擇 機器視覺為工業(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器視覺能否發(fā)揮應有的作用是非常重要的。 機器視覺在控制工業(yè)流程當中的作用越來越重要了，尤其是在機器人引導、目標識別和質量保證等領域。當前優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)已經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器人系統(tǒng)，比如汽車生產和檢測線，傳送帶通常是參考。這里，機器人執(zhí)行兩項任務：識別和傳送。 在絕大多數機器視覺應用里，光學控制都是非常重要的。機器人視覺系統(tǒng)同樣要求極高的可重復性，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、不可讀標簽和產品缺失。視覺系統(tǒng)必須能夠以極高的準確度快速識別和測量方形、圓形和橢圓形物體。提高機器視覺系統(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。多元機器視覺系統(tǒng)既可以是彩色相機也可以是黑白相機，通常使用結構照明方法建立產品外表和內在結構。 盡管照相機、分析軟件和照明對于機器視覺系統(tǒng)都是十分重要的，可能最關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。當為控制系統(tǒng)選擇鏡頭的時候，機器視覺集成商應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匹配鏡頭相當重要，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表現。鏡頭方案有時候會以每毫米線耦數量（lp/mm）為單位列出物體解析度，再將這個值除以1000就可以預測出鏡頭每微米的物體解析度。 在進行表面剖析的時候，通常不只使用一臺照相機和鏡頭，而了解鏡頭的內在偏差（aberration）量也是有價值的。偏差是指鏡頭里的光學誤差，可以引起同一張圖片里不同點的圖像質量差異。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據是明顯的。 大型格式和區(qū)域掃描照相機鏡頭是控制應用優(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)的應用具有很高的價值。距離約束 自動化機器視覺系統(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，是指當圖像在焦距范圍內的時候，物體和照相機鏡頭前端的距離。它限制了視覺系統(tǒng)以及和視覺系統(tǒng)一起工作的設備所需要的空間。有一些應用，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，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，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)境的保護外殼，必須具有足夠的柔性，可以根據工作距離進行調整。比如在很多安裝場合，感興趣的產品區(qū)域和產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若干種傳感條件進行調整。很多照相機鏡頭需要平穩(wěn)加載，但是當物體空間（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行改變：通過縮放功能或者隔離。縮放鏡頭可以調整照相機系統(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)。度量衡和顯微應用需要以微米為單位進行放大，這些鏡頭系統(tǒng)可以同顯微鏡下的物體對應?？s放鏡頭保持著高解析度，但是成本高昂。另外一種方案，鏡頭隔離器十分經濟，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，除非空間調整是在5mm之內或者鏡頭的設計就帶有隔離器，否則隔離器不是一個推薦的方案?；镜溺R頭設計因素可以確定圖像特性景深 光學系統(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（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光量，所以要提高照明等級進行補償。列出景深的鏡頭方案也應該給出相應的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致的模糊。DOF是完全在焦距范圍內最大的物體深度，它也是保持理想對焦狀態(tài)下物體允許的移動量（從最佳焦距前后移動）。當物體的放置位置比工作距離近或者遠的時候，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。有一些鏡頭被設計成超焦或者可超焦的，這就意味著焦內的遠點可以拓展到無限遠。這種技術通常應用在定焦鏡頭上，景深效果很深，但是卻可以通過虹膜的幫助進行調整。 不要把遠心鏡頭和大景深鏡頭弄混了。遠心鏡頭可以使機器視覺系統(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，無論它距離照相機有多遠。這種鏡頭一個實際應用的例子是分析計算機電路板。遠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，應用在需要經常變換焦距的場合。這些鏡頭經常是馬達驅動的，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，通過調整焦距來發(fā)現每個缺陷。然而，同縮放鏡頭不通，變焦鏡頭的工作距離也可以變化，可以根據需要進行重新定位。環(huán)境的重要性 機器視覺系統(tǒng)的環(huán)境因素包括物體反射系數、光線、溫度、振動和污染物。物體的反射會導致高光，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象。障板為不透明的圓片，為鏡頭的中心孔徑特別設計，可以限制到達傳感器的光線。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，使鏡頭圖像的質量最大化。在使用黑白照相機的時候，對比度是非常重要的，可以通過加減過程產生。在加法過程中，單色光源和照相機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。這項技術在凝膠和彩色液體用作背光式觸摸屏或者微粒檢測的應用很有價值。 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元件的熱膨脹出現問題。并不是所有的鏡頭都可以適應溫度變化，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隔離的平臺和桌面上，來減少振動。重型的照相機鏡頭總是帶有卡具，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械手就經常用來裝載照相機和鏡頭。 工業(yè)換件下的污染物會腐蝕鏡頭表面。極端環(huán)境光學（HEO）產品進行了專門設計，即便是長期暴露在嚴酷環(huán)境下，也可以提供高質量的圖像。因為它的光學元件是嚴格