機(jī)器視覺(jué)中精度和分辨率詳解！

在機(jī)器視覺(jué)中，分辨率作為衡量鏡頭和工業(yè)相機(jī)的重要參數(shù)，被大家熟知。精度是機(jī)器視覺(jué)中最核心的參數(shù)之一。我們一起來(lái)了解下這兩個(gè)參數(shù)以及在實(shí)際組合應(yīng)用中，如何有效匹配鏡頭分辨率和相機(jī)分辨率。

精度需要從多個(gè)角度來(lái)說(shuō)明，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，定位應(yīng)用一般需要考慮3個(gè)像素波動(dòng)，故原本10μm的精度要求，對(duì)應(yīng)的定位精度約為3μm左右，而此時(shí)的視覺(jué)定位精度也就是像素精度，也叫像素分辨率或者像素當(dāng)量，對(duì)于檢測(cè)應(yīng)用，算法能力直接決定了視覺(jué)檢測(cè)精度與待檢測(cè)的最小缺陷之間的關(guān)系，通常也要考慮3-5個(gè)像素波動(dòng)，但在晶圓檢測(cè)行業(yè)，如果算法好，我們也常遇到直接按最小缺陷的大小來(lái)定義視覺(jué)檢測(cè)精度的情況，此時(shí)視覺(jué)檢測(cè)精度也是像素精度，測(cè)量應(yīng)用包含絕對(duì)精度和重復(fù)性精度，絕對(duì)精度指測(cè)量值和真實(shí)值之間的差異，重復(fù)性精度只用同一個(gè)物體去做靜態(tài)測(cè)量和多次擺放測(cè)量，看數(shù)據(jù)的實(shí)際波動(dòng)性，當(dāng)重復(fù)性精度足夠好時(shí)，絕對(duì)精度可以進(jìn)行算法補(bǔ)償，因此實(shí)際應(yīng)用中重復(fù)性精度更為重要。一般情況下，重復(fù)性精度可等同于像素精度。相機(jī)像素精度=單向視野范圍/相機(jī)單向分辨率。

1、鏡頭分辨率

鏡頭分辨率指的是它能分辨開(kāi)兩個(gè)靠近的點(diǎn)物的能力。實(shí)際應(yīng)用中，我們一般用“點(diǎn)物”經(jīng)鏡頭成像后的“像”能被分辨的最小距離來(lái)表示，小于這個(gè)距離，我們就認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)；而大于這個(gè)距離我們認(rèn)為是兩個(gè)分開(kāi)的點(diǎn)。除此之外，還有一種表示形式就是每毫米線對(duì)數(shù)LP/mm。鏡頭之所以存在分辨率，是因?yàn)橄癫詈脱苌鋵?dǎo)致的（此處不做詳細(xì)解釋），使從“物”到“像”發(fā)生了失真。點(diǎn)物經(jīng)鏡頭成像后不再是一點(diǎn)，而變成一個(gè)光斑。

2、相機(jī)分辨率

相機(jī)的分辨率是指單位距離的像用多少個(gè)像素來(lái)顯示。假設(shè)像元尺寸大小是2.2μm，搭配0.5x的鏡頭，在測(cè)量22μm的物體時(shí)，由于22μm的物經(jīng)0.5x的鏡頭后變成11μm的像，所以要用11 μm /2.2 μm =5個(gè)pixel來(lái)顯示，因此，單位距離的像要用11÷2.2/11=1/2.2個(gè)像素來(lái)顯示。即相機(jī)圖像分辨率為1/2.2 pixel/μm（實(shí)際就是像元尺寸的倒數(shù)）。從這個(gè)推導(dǎo)中我們得出：像元尺寸越小，相機(jī)的分辨率越高。

鏡頭分辨率與相機(jī)分辨率的有效匹配？

方法一：一般參數(shù)表中標(biāo)記的分辨率為鏡頭的物方分辨率；用物方分辨率乘以放大倍率，得到像方分辨率；用算得的像方分辨率跟2倍的像元尺寸作比較：①如果鏡頭像方分辨率=2倍的像元尺寸，說(shuō)明匹配剛剛好，誰(shuí)都不浪費(fèi)。

② 如果鏡頭像方分辨率>2倍的像元尺寸，則浪費(fèi)了相機(jī)的分辨率。

③ 如果鏡頭像方分辨率<2倍的像元尺寸，則浪費(fèi)了鏡頭的分辨率。

1Pixel=10um

方法二：經(jīng)透鏡成的光學(xué)圖像，本身是一個(gè)擁有無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)的模擬信號(hào)。但在圖像接收器(CCD或CMOS)接收過(guò)程中，由于像素和像素之間的間距形成了離散采樣。采樣定律也叫Shannon采樣定律，告訴我們對(duì)于頻率為f的模擬信號(hào)，為了不失真的恢復(fù)它，我們至少要用2f的頻率來(lái)采樣。

鏡頭分辨率的另一種表示形式是空間頻率，即每毫米的線對(duì)數(shù)LP/mm。因此，假設(shè)鏡頭的分辨率是n LP/mm，那么我們必須保證每毫米有2n個(gè)像素才行。這樣才能充分發(fā)揮鏡頭的分辨能力。例如：我們的ML-MC-XR系列和ML-M-UR系列都標(biāo)注了分辨率是200LP/mm， 所以用每毫米有400個(gè)像素的芯片來(lái)接收?qǐng)D像，才不會(huì)浪費(fèi)鏡頭的分辨率，而每毫米400個(gè)像素，計(jì)算下來(lái)像元尺寸大小差不多2.2 μm，這也就是為什么我們會(huì)同時(shí)標(biāo)注該款鏡頭支持2.2 μm像元。

其他注意事項(xiàng)：

1、鏡頭分辨率，只是鏡頭本身的參數(shù)，與相機(jī)無(wú)關(guān)。

2、相機(jī)的分辨率，也只是相機(jī)本身的參數(shù)，與像元尺寸大小有關(guān)，與鏡頭無(wú)關(guān)。

3、兩個(gè)相互獨(dú)立的分辨率一定要匹配，才不會(huì)浪費(fèi)了某一方的性能。

4、無(wú)論是鏡頭還是相機(jī)，分辨率只是評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的參數(shù)之一，而且分辨率也不是越高越好，如果要評(píng)價(jià)整體性能，還要同時(shí)綜合考慮其他參數(shù)及具體應(yīng)用。