機(jī)器視覺圖像采集優(yōu)化方法

機(jī)器視覺在不同的復(fù)雜技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在簡(jiǎn)單的應(yīng)用中（例如，利用背光檢測(cè)不透明物體的輪廓），成像系統(tǒng)可在寬松的系統(tǒng)參數(shù)條件下可靠地運(yùn)行。但在要求較高的應(yīng)用中（比如檢測(cè)鏡面的表面缺陷），必須將主要參數(shù)設(shè)置在較小的公差范圍內(nèi)，或使用成本更高的高精度硬件，成像系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行。

成像系統(tǒng)中涉及的主要參數(shù)的數(shù)量，隨著成像應(yīng)用復(fù)雜度的提高而增加。Edmund Optics東京成像實(shí)驗(yàn)室對(duì)此進(jìn)行了研究，對(duì)于要求較高的成像應(yīng)用，需要精確調(diào)整的參數(shù)大約多達(dá)20個(gè)。

圖像采集優(yōu)化

本文主要討論圖像采集優(yōu)化（以下稱為OIA），即：將成像系統(tǒng)中的所有主要參數(shù)調(diào)整到能夠獲得最佳圖像的過(guò)程。完成OIA后，獲得的圖像具有以下共同特點(diǎn)：

l 在成像系統(tǒng)物理?xiàng)l件限制下，所拍攝的圖像獲得盡可能多的有用信息；

l 盡可能多地利用相機(jī)傳感器的有效像素，讓待測(cè)工件在視野范圍內(nèi)（FOV）最大呈現(xiàn)，僅受工件幾何形狀和位置變化的限制；

l 在不使用降噪算法的情況下，圖像具有最高的信噪比，僅受傳感器的參數(shù)限制；

l 圖像的動(dòng)態(tài)范圍接近最大值，沒有達(dá)到飽和；

l 圖像中沒有來(lái)自其他外部環(huán)境產(chǎn)生的不必要影像（例如未使用擴(kuò)散片的環(huán)形光產(chǎn)生的亮斑）。

為達(dá)成OIA，需要對(duì)所有主要參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整。經(jīng)過(guò)OIA調(diào)整后的成像系統(tǒng)，為機(jī)器視覺系統(tǒng)集成商提供了以下優(yōu)勢(shì)：

l高性價(jià)比

成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件（成像鏡頭、相機(jī)、照明光源和光機(jī)結(jié)構(gòu)）充分發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了具有成本效益的解決方案。

l最少的圖像運(yùn)算處理和分析，最低的軟件復(fù)雜度

由于OIA可以獲得高還原度、高對(duì)比度和低噪聲的圖像，因此對(duì)圖像處理算法（例如降噪、直方圖均衡、膨脹/腐蝕）的需要降至最低，從而顯著減少了開發(fā)周期、測(cè)試時(shí)間和硬件成本。

l顯著降低誤判率，高質(zhì)量的圖像減少了測(cè)試錯(cuò)誤

已經(jīng)調(diào)整好的成像系統(tǒng)可以滿足以下條件，如圖1和圖2所示：

l 像平面（傳感器面）和物面（檢查工件表面）平行；

l 被檢查的工件表面位于工作距離（WD）最佳聚焦位置；

l 被檢查的工件，接近FOV拍攝矩形成像區(qū)域大小，但不超過(guò)FOV；

l 工件中心位于鏡頭的光軸上；

l 被檢查工件的淺色（白色、淺灰色等）區(qū)域特征，其成像亮度接近像素灰度飽和值（例如8位格式為255，灰度值可以達(dá)到220），但未達(dá)到飽和。

圖1：成像系統(tǒng)調(diào)整要求，透視圖。

圖2：成像系統(tǒng)調(diào)整要求，上視圖。

調(diào)整方法

通常的調(diào)整方法是：操作人員通過(guò)相機(jī)觀察圖像，以主觀判斷完成。由Edmund Optics 日本分公司開發(fā)的調(diào)整應(yīng)用程序，可對(duì)成像系統(tǒng)中的11-17個(gè)參數(shù)（取決于硬件條件）進(jìn)行即時(shí)測(cè)量，從而為操作人員提供實(shí)時(shí)量化的參數(shù)以進(jìn)行判斷。

以下案例中，使用的是西門子星標(biāo)測(cè)試板（產(chǎn)品編號(hào)58835）。將星標(biāo)測(cè)試板的標(biāo)刻面朝向成像系統(tǒng)，并使其與待測(cè)物平面重合。

使用EO開發(fā)的EORTM（Edmund Optics Real-Time Metrology）軟件，實(shí)時(shí)運(yùn)算和分析拍攝到的測(cè)試板圖像。EORTM可以在精確調(diào)整至少8組硬件參數(shù)（光學(xué)機(jī)械平臺(tái)的六個(gè)自由度、光源亮度和相機(jī)曝光時(shí)間）的過(guò)程中，給操作人員提供實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋。

借助EORTM，在高精度機(jī)器視覺應(yīng)用中調(diào)整參數(shù)的時(shí)間，從大約數(shù)小時(shí)減少到20分鐘甚至更短，但是精度卻提高了至少2倍，因?yàn)樗峁┚_可量化指標(biāo)，而不是依靠主觀判斷。

一旦所有硬件調(diào)整都在軟件設(shè)定的允許范圍內(nèi)，EORTM將顯示如圖3所示的全部通過(guò)狀態(tài)，并且判定圖像系統(tǒng)已調(diào)整完成。

圖3：使用EORTM軟件和西門子星標(biāo)測(cè)試板進(jìn)行微調(diào)。

硬件配置包含一個(gè)6維自由度調(diào)整平臺(tái)和相關(guān)的光機(jī)結(jié)構(gòu)件，以及照明光源和測(cè)試板，完全由EO產(chǎn)品目錄中的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品組成，如圖4所示。

圖4：Edmund Optics 6維調(diào)整定位平臺(tái)用于成像系統(tǒng)調(diào)整。

結(jié)論

為了達(dá)到OIA，需要精確調(diào)整近20種光學(xué)、機(jī)械、電子和軟件參數(shù)。表1中列出了這些參數(shù)，根據(jù)其需要調(diào)整的頻率歸類為：

· 設(shè)計(jì)階段（DT）：一次，系統(tǒng)規(guī)劃選型時(shí)；

· 設(shè)置階段（ST）：一次，相機(jī)初始化安裝時(shí)；

· 實(shí)時(shí)調(diào)整（RT）：多次，在OIA調(diào)整過(guò)程中視需要，可通過(guò)可視化或使用軟件實(shí)時(shí)測(cè)量獲得反饋。

· 表1：OIA調(diào)整過(guò)程的主要參數(shù)

1：通常也稱為分辨率；2：像素大小代表圖像分辨率，這里沒有列出，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)像素?cái)?shù)量和傳感器尺寸計(jì)算得出。

審核編輯 ：李倩