Tại sao độ méo ống kính lại quan trọng trong phép đo thị giác máy

Giới thiệu: Một lỗi hình học nhỏ có thể trở thành một vấn đề kiểm tra lớn

Trong thị giác máy, một thấu kính có thể tạo ra hình ảnh sắc nét nhưng vẫn là thấu kính không phù hợp cho công việc.

Điều đó nghe có vẻ phản trực giác. Nếu camera kiểm tra có thể nhìn rõ một bộ phận, một lỗ hoặc một cạnh thì hệ thống có thể đo chính xác được không? Không nhất thiết phải như vậy. Độ sắc nét của hình ảnh và độ chính xác hình học là những đặc tính khác nhau. Ống kính có thể phân giải chi tiết tốt trong khi ánh xạ các đường thẳng thành đường cong hoặc thay đổi tỷ lệ hình ảnh từ tâm ra các cạnh.

Đối với các ứng dụng như kiểm tra kích thước, định vị, căn chỉnh và phát hiện khuyết tật, sự khác biệt này rất quan trọng. Một lỗi hình học nhỏ có thể ảnh hưởng đến quyết định đạt/không đạt, làm thay đổi điểm chọn của rô-bốt hoặc tạo ra các phép đo không nhất quán trên dây chuyền sản xuất.

Bài viết này giải thích ý nghĩa của hiện tượng biến dạng ống kính trong điều kiện thực tế, thời điểm quan trọng nhất, hiệu chỉnh giúp ích như thế nào và các kỹ sư nên thảo luận gì với nhà cung cấp ống kính trước khi quyết định thiết kế.

Biến dạng ống kính là gì?

Biến dạng ống kính là hiện tượng quang sai hình học làm thay đổi vị trí các điểm trong cảnh xuất hiện trong ảnh. Nó thường được mô tả là biến dạng thùng, biến dạng đệm kim hoặc sự kết hợp phức tạp hơn của cả hai.

Với hiện tượng méo hình tròn, độ phóng đại hình ảnh có xu hướng giảm về phía các cạnh, do đó các đường thẳng có thể cong ra phía ngoài. Với sự biến dạng của gối cắm kim, các đường có thể cong vào trong. Các hệ thống góc rộng cũng có thể hiển thị các kiểu biến dạng phức tạp hơn mà không thể mô tả đầy đủ bằng một hệ số đơn giản duy nhất.

Biến dạng không nhất thiết có nghĩa là hình ảnh bị mất nét. Cạnh có độ tương phản cao có thể vẫn sắc nét nhưng xuất hiện ở vị trí hơi khác so với mong đợi. Để theo dõi trực quan, điều đó có thể chấp nhận được. Đối với phép đo, nó có thể là nguồn gốc của sai số hệ thống.

Một sự phân biệt hữu ích là:

Độ phân giải mô tả mức độ chi tiết mà hệ thống hình ảnh có thể phân biệt được.

Sự biến dạng mô tả cách hệ thống duy trì hình dạng của cảnh một cách trung thực.

Độ lặp lại mô tả liệu hệ thống có trả về kết quả nhất quán trong cùng điều kiện hay không.

Một hệ thống thị giác máy thành công có thể cần cả ba điều này, nhưng mức độ ưu tiên phụ thuộc vào nhiệm vụ.

Khi nào sự biến dạng trở thành một vấn đề?

đo kích thước

Nếu phần mềm chuyển đổi pixel thành milimét bằng hệ số tỷ lệ đơn giản, thì giả định rằng tỷ lệ hình ảnh đủ nhất quán trên khu vực đo. Sự bóp méo có thể vi phạm giả định đó. Kích thước được đo gần tâm có thể không ánh xạ tới cùng tỷ lệ vật lý với kích thước giống hệt nhau ở gần một góc.

Hướng dẫn và định vị robot

Khi camera hướng dẫn robot, tọa độ hình ảnh sẽ được chuyển đổi thành tọa độ được sử dụng bởi robot hoặc hệ thống băng tải. Nếu ống kính gây ra lỗi hình học không được hiệu chỉnh, vị trí ước tính có thể bị dịch chuyển. Tác động phụ thuộc vào góc camera, khoảng cách làm việc, phương pháp hiệu chỉnh và dung sai vị trí cần thiết.

Kiểm tra PCB, thành phần và web

Hệ thống kiểm tra thường so sánh các vị trí hoặc hình dạng đối tượng với tham chiếu. Sự biến dạng có thể làm cho một đối tượng vốn thẳng có vẻ bị cong hoặc khiến các vị trí của cạnh bị dịch chuyển. Điều này có thể làm phức tạp việc so sánh trên toàn hiện trường, đặc biệt khi khu vực kiểm tra chiếm phần lớn cảm biến.

Giám sát trường rộng

Không phải mọi ứng dụng đều cần độ méo thấp. Trong một số hệ thống giám sát hoặc nhận biết tình huống, phạm vi bao phủ có thể quan trọng hơn việc duy trì các đường thẳng. Tuy nhiên, trong các ứng dụng đo lường hoặc lập bản đồ, độ chính xác hình học có thể là một yêu cầu quan trọng. Ống kính bên phải là ống kính được tối ưu hóa cho nhiệm vụ chứ không phải ống kính có số biến dạng nhỏ nhất nếu xét riêng lẻ.

Ống kính có độ méo thấp hay chỉnh sửa phần mềm?

Không có câu trả lời phổ quát. Thiết kế quang học và hiệu chuẩn phần mềm có thể bổ sung cho nhau nhưng chúng giải quyết vấn đề theo những cách khác nhau.

Ống kính có độ méo thấp giúp giảm độ lệch hình học về mặt quang học trước khi hình ảnh đến cảm biến. Điều này có thể đơn giản hóa quá trình xử lý tiếp theo và giúp duy trì ánh xạ thống nhất hơn trên toàn trường.

Hiệu chỉnh phần mềm sử dụng mô hình đã hiệu chỉnh để ánh xạ lại tọa độ hình ảnh. Nó có thể có hiệu quả khi độ méo ổn định và quy trình hiệu chuẩn phù hợp. Tuy nhiên, hiệu chỉnh có thể lấy mẫu lại các pixel, cắt vùng hình ảnh có thể sử dụng và phụ thuộc vào tiêu điểm, vị trí ống kính, căn chỉnh cảm biến và nhiệt độ duy trì đủ nhất quán.

Điều quan trọng nữa là phải phân biệt hiệu chỉnh méo hình với hiệu chỉnh phối cảnh. Máy ảnh xem một vật thể phẳng ở một góc sẽ tạo ra hiệu ứng phối cảnh ngay cả khi bản thân ống kính có độ méo không đáng kể. Quy trình hiệu chỉnh có thể cần phải mô hình hóa cả hai.

Một quy trình phát triển hợp lý là trước tiên phải xác định độ chính xác của phép đo cần thiết, sau đó đánh giá xem hiệu chỉnh quang học, hiệu chỉnh phần mềm hay kết hợp là phù hợp.

Thế còn một thấu kính viễn tâm thì sao?

Thấu kính viễn tâm thường được cân nhắc khi độ chính xác của phép đo quan trọng hơn kích thước nhỏ gọn hoặc phạm vi bao phủ độ sâu rộng. Trong thiết kế viễn tâm không gian vật thể, các tia chính gần như song song trong không gian vật thể, làm giảm sự thay đổi độ phóng đại gây ra bởi sự thay đổi khoảng cách vật thể nhỏ.

Điều đó có thể hữu ích để đo các bộ phận phẳng, kiểm tra đường kính hoặc kiểm tra các bộ phận có chiều cao thay đổi một chút. Nhưng quang học viễn tâm không tự động là lựa chọn tốt nhất cho mọi hệ thống thị giác. Chúng có thể lớn hơn, đắt tiền hơn và yêu cầu khoảng cách làm việc cũng như trường nhìn cụ thể.

Một ống kính có độ méo thấp thông thường có thể phù hợp hơn khi không gian, chi phí hoặc phạm vi bao phủ trường quan trọng hơn. Quyết định phải tuân theo dung sai thực tế và các ràng buộc cơ học.

Sáu câu hỏi cần trả lời trước khi chọn ống kính

Trước khi yêu cầu báo giá, kỹ sư và người mua cần chuẩn bị những thông tin sau:

1. Dung sai đo lường là gì? 

Một hệ thống được thiết kế để phát hiện lỗi thô có các nhu cầu khác nhau, từ đo lường một đặc điểm đến dung sai kích thước chặt chẽ.

2. Định dạng cảm biến và kích thước pixel là gì? 

Vòng tròn hình ảnh của ống kính và hiệu suất phân giải phải phù hợp với cảm biến.

3. Cần có góc nhìn và khoảng cách làm việc như thế nào? 

Những điều này xác định hình dạng hình ảnh và ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc lựa chọn ống kính.

4. Khu vực quan tâm sẽ nằm ở đâu? 

Một vùng trung tâm nhỏ có thể ít nhạy cảm với biến dạng hơn so với phép đo bao phủ toàn bộ khung hình.

5. Máy ảnh hoặc vật thể có di chuyển không? 

Chuyển động, độ rung và thay đổi khoảng cách làm việc có thể ảnh hưởng đến độ ổn định hiệu chuẩn.

6. Hệ thống sẽ được hiệu chuẩn như thế nào? 

Chỉ định sớm mục tiêu hiệu chuẩn, quy trình, nhiệt độ vận hành và tiêu chí chấp nhận.

Nhà cung cấp có thể đề xuất hiệu quả hơn khi có sẵn những thông tin chi tiết này. Bản thân “độ biến dạng thấp” không phải là thông số kỹ thuật hoàn chỉnh.

Cách xác thực ống kính trong hệ thống thực

Bảng dữ liệu là điểm khởi đầu, không thể thay thế cho việc kiểm tra ứng dụng. Sử dụng lưới đã hiệu chỉnh hoặc mục tiêu tham chiếu phù hợp khác trên trường quan sát dự định. Kiểm tra hiệu suất của phần trung tâm và cạnh, lặp lại phép đo sau khi lấy nét lại hoặc gắn lại khi thích hợp và xác minh kết quả ở khoảng cách làm việc thực tế.

Nếu ứng dụng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ, hãy bao gồm các điều kiện nhiệt đại diện. Nếu chỉnh sửa phần mềm là một phần của kế hoạch, hãy xác thực toàn bộ chuỗi xử lý hình ảnh thay vì chỉ đánh giá hình ảnh thô.

Việc xác định số liệu chấp nhận rõ ràng cũng rất hữu ích. Đó có thể là lỗi dư tối đa sau khi hiệu chuẩn, độ lặp lại của kích thước đo được hoặc lỗi định vị tại các vị trí hình ảnh được chỉ định. Số liệu phù hợp phụ thuộc vào trường hợp sử dụng.

Quang học Boshicó thể trợ giúp ở đâu

Quang học Boshihỗ trợ các sản phẩm quang học cho an ninh, hình ảnh công nghiệp, điện tử ô tô, hình ảnh y tế và các ứng dụng máy ảnh khác. Đối với các dự án yêu cầu ống kính nhỏ gọn hoặc cấu hình quang học dành riêng cho ứng dụng, khách hàng có thể bắt đầu bằng cách xem lạiPhạm vi ống kính M12hoặc thảo luận về các yêu cầu thông qua các sản phẩm quang học tùy chỉnh.

Để có cuộc thảo luận kỹ thuật hữu ích, hãy cung cấp mẫu cảm biến, kích thước mục tiêu, trường nhìn, khoảng cách làm việc, vỏ cơ học có sẵn, môi trường vận hành và dung sai đo cần thiết. Những chi tiết này giúp xác định xem một ống kính tiêu chuẩn có phù hợp hay không hoặc liệu có nên đánh giá một thiết kế chuyên dụng hơn hay không.

Kết luận: Chỉ định lỗi bạn có thể chấp nhận

Lựa chọn ống kính thị giác máy không chỉ đơn giản là tìm kiếm hình ảnh sắc nét. Khi hệ thống đo, căn chỉnh hoặc hướng dẫn chuyển động, độ chính xác hình học có thể cũng quan trọng như độ phân giải.

Bắt đầu với khả năng chịu đựng của ứng dụng. Hiểu được vấn đề biến dạng ở đâu trong trường nhìn. Quyết định cách hiệu suất quang học và hiệu chuẩn sẽ phối hợp với nhau, sau đó xác nhận hệ thống camera hoàn chỉnh trong điều kiện thực tế.

Câu hỏi hữu ích nhất không chỉ đơn thuần là “Ống kính này có độ méo thấp không?” Đó là “Liệu hệ thống hình ảnh này có thể đáp ứng độ chính xác cần thiết theo cách nó sẽ được sử dụng thực tế không?”