精密測(cè)量時(shí)的關(guān)鍵因素與應(yīng)用要點(diǎn)
在機(jī)器視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域,精度高低取決于分辨率,而決定測(cè)量高精度與低不確定度的核心要素,是所獲取圖像的分辨率。這里的分辨率(即圖像分辨率),指的是以實(shí)際單位衡量的單個(gè)像素大小。
舉例來(lái)說(shuō),若一臺(tái)相機(jī)傳感器水平方向含1000個(gè)像素,且通過(guò)光學(xué)器件拍攝的圖像覆蓋現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中1英寸寬的區(qū)域,那么單個(gè)像素就代表0.001英寸。需注意,這一指標(biāo)是相機(jī)制造商與分析軟件均無(wú)法改變的基礎(chǔ)參數(shù)。
01
像素?cái)?shù)量的合理確定
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的最小測(cè)量單位為像素。和所有測(cè)量系統(tǒng)相同,要實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、可靠的測(cè)量,測(cè)量?jī)x器的最小測(cè)量單位(按一般經(jīng)驗(yàn)法則)需達(dá)到所需測(cè)量公差帶的十分之一。以之前的例子來(lái)講,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)約±0.005英寸的精確測(cè)量(公差帶為0.01英寸,對(duì)應(yīng)十倍儀表單位)。
初次運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行測(cè)量的工程師,往往會(huì)嚴(yán)重低估實(shí)現(xiàn)理想測(cè)量精度與不確定度所需的像素?cái)?shù)量。實(shí)際上,可能需要多臺(tái)相機(jī)、專(zhuān)業(yè)相機(jī)(如線掃描成像儀),或是對(duì)單個(gè)部件從多個(gè)視角拍攝,才能達(dá)到指定檢測(cè)公差要求的分辨率。
視覺(jué)檢測(cè)的圖像結(jié)果
有時(shí),可通過(guò)數(shù)學(xué)算法在成像系統(tǒng)中挖掘額外分辨率,以實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的特征重復(fù)性報(bào)告,常見(jiàn)方式包括灰度邊緣分析,幾何或相關(guān)搜索,圓形或線條擬合等回歸分析,以及特定場(chǎng)景下的連通性分析。若借助這些工具獲取亞像素結(jié)果,最小測(cè)量單位便能小于單個(gè)像素。但需注意,供應(yīng)商提供的亞像素能力估值僅為參考,且通常基于最佳成像、光學(xué)條件與部件呈現(xiàn)狀態(tài)。因此,切勿將任意亞像素期望值作為確定系統(tǒng)測(cè)量功能的關(guān)鍵依據(jù),而應(yīng)使用實(shí)際零件與圖像測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)實(shí)踐確定其亞像素能力。
02
光學(xué)元件的選擇要點(diǎn)
高分辨率光學(xué)成像是光學(xué)與照明共同作用的結(jié)果。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用,唯一用到的光學(xué)元件是透鏡組件,但選擇合適的透鏡對(duì)計(jì)量應(yīng)用至關(guān)重要。除了要向傳感器傳遞符合實(shí)際尺寸的圖像,從計(jì)量角度出發(fā),透鏡還需盡可能精準(zhǔn)地還原圖像,避免失真。
此外,透鏡也有分辨率指標(biāo),通常以每毫米或每英寸的線對(duì)(lp/mm、lp/in)來(lái)表示,進(jìn)一步還可能提供調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)規(guī)格,或更簡(jiǎn)單地標(biāo)注在高線對(duì)密度(高lp/mm)下產(chǎn)生高對(duì)比度的能力。相機(jī)像素?cái)?shù)量越高,這些透鏡指標(biāo)的重要性就越突出。因此,務(wù)必選擇專(zhuān)為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高質(zhì)量、高分辨率光學(xué)元件。
遠(yuǎn)心鏡頭的圖像結(jié)果
在諸多測(cè)量場(chǎng)景中,遠(yuǎn)心鏡頭作用顯著。它借助光學(xué)組合,能徹底消除圖像中因視差導(dǎo)致的失真,使幾乎所有圖像都與傳感器保持平行,完整保留圖像平面內(nèi)的平面幾何關(guān)系,讓測(cè)量更直接、準(zhǔn)確。
針對(duì)視場(chǎng)極?。ㄈ缧∮趲缀撩祝┑膽?yīng)用,建議選用專(zhuān)為機(jī)器視覺(jué)打造的顯微光學(xué)元件和/或高倍率光學(xué)元件,不推薦通過(guò)擴(kuò)展器或附加倍率裝置,將標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件的倍率強(qiáng)行提升至更高水平。
03
照明選擇的關(guān)鍵作用
在計(jì)量應(yīng)用中,照明選擇可能起到?jīng)Q定性作用。盡管在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化背光照明的物理部署可能面臨挑戰(zhàn),但許多計(jì)量場(chǎng)景都能從背光照明中獲益。正面照明則有助于凸顯需識(shí)別以進(jìn)行測(cè)量的特征邊緣,對(duì)于低對(duì)比度特征,可考慮采用低角度或結(jié)構(gòu)化照明。
當(dāng)需測(cè)量極小特征(如分辨率低于0.001毫米)時(shí),可使用藍(lán)色或紫色等長(zhǎng)波長(zhǎng)顏色光,以提升對(duì)比度。若零件處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(即便靜止),建議采用LED頻閃照明,以確保最佳光照強(qiáng)度并延長(zhǎng)燈泡使用壽命。
04
零件特征
在特定照明技術(shù)下,相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)可捕捉到的零件特征,往往與零件圖紙標(biāo)注的特征,或通過(guò)手動(dòng)測(cè)量?jī)x器測(cè)得的特征存在差異。
例如,測(cè)量直徑小但深度較大的通孔直徑時(shí),若采用正面照明,僅能測(cè)量到孔的頂部邊緣,若需模擬插入式量規(guī)的測(cè)量效果,這種方式便無(wú)法滿足要求;若采用背光照明,由于孔的深度影響,光學(xué)系統(tǒng)難以“平均”捕捉到圖像中整個(gè)孔的特征,更可能聚焦于鉆孔的頂部、底部或中部某一深度處,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不符合預(yù)期。
因此,需謹(jǐn)慎選擇照明、光學(xué)元件與算法,確保測(cè)量的是約定的零件表面。要清楚,在很多情況下,基于上述原因,在線非接觸式機(jī)器視覺(jué)測(cè)量無(wú)法完全復(fù)刻物理測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果。
進(jìn)行精確測(cè)量時(shí),被檢測(cè)零件必須能重復(fù)穩(wěn)定地呈現(xiàn)。在離線設(shè)置中,成像、光學(xué)、分辨率與算法或許都十分完美,但在線測(cè)量時(shí),卻可能出現(xiàn)重復(fù)性差、可靠性低的問(wèn)題,這通常是零件呈現(xiàn)不穩(wěn)定所致,有時(shí)甚至因零件呈現(xiàn)方式的限制,無(wú)法開(kāi)展特定計(jì)量工作。
以之前提到的小而深的鉆孔為例,當(dāng)孔的表面與透鏡垂直時(shí),可拍攝到孔深處的清晰圖像,從而實(shí)現(xiàn)成功測(cè)量;但若零件發(fā)生輕微傾斜,孔在圖像中可能明顯呈現(xiàn)為橢圓形,若采用背光照明,甚至可能被完全遮蔽。
對(duì)于非接觸式測(cè)量成像,首先需盡可能消除所有可能導(dǎo)致零件呈現(xiàn)不穩(wěn)定的因素,同時(shí)要明白,在任何情況下,零件呈現(xiàn)方式都會(huì)為測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的附加誤差。因此,在確定和指定分辨率、光學(xué)元件與照明方案時(shí),必須將這一因素納入考量。
精密測(cè)量時(shí)的關(guān)鍵因素與應(yīng)用要點(diǎn)
09-24-2025
