機器視覺基礎

相機精度計算：視野/像素1.1機器視覺簡介與硬體介紹1.1.1前言對于首次接觸「機器視覺」的朋友來說，對這個名詞肯定有點陌生，所以我們先來簡單介紹一下這個專有名詞?！笝C器視覺」是泛指搭載視覺影像系統(tǒng)的檢測設備，影像系統(tǒng)主要是由相機、鏡頭與光源等光學儀器所建構而成的。利用這些檢測器材廣泛地投入各種應用，如產(chǎn)品的瑕疵檢測〔Inspection〕、辨識產(chǎn)品外觀〔Recognition〕與量測產(chǎn)品尺寸〔Measurement〕，而視覺對位〔Alignment〕與自動化做結(jié)合，搭配運動控制或機械手臂，可進行物料的定位與校正，完成手眼協(xié)調(diào)的視覺伺服系統(tǒng)〔VisualServoSystem〕。圖1.1-搭載相機的機器手臂所構成的視覺伺服系統(tǒng)架構?機器視覺一直以來都受到相關產(chǎn)業(yè)的重視，這邊列出幾項機械視覺的特色：平安性高?具備高解析度?擁有全檢能力資料重現(xiàn)性好可降低人工本錢可搭配高速運動控制可配合運動控制系統(tǒng)進行回饋控制〔智慧型自動化〕目前使用機器視覺的領域非常廣泛，與它相關的熱門產(chǎn)業(yè)包括半導體、光電、機密工業(yè)與製造業(yè)等，主要的應用是將這些技術導入產(chǎn)品檢測與自動化生產(chǎn)，目的就是為了提升產(chǎn)能、增加良率與減少人員配置。接著，我們來簡單的了解一些與機器視覺相關的專有名詞：影像系統(tǒng)〔ImageSystem〕構成機器視覺最根本架構就是包含相機與鏡頭的影像系統(tǒng)，最重要的五個根本參數(shù)必須先弄清楚：圖1.2-影像系統(tǒng)的示意圖1.感光元件大小〔SensorSize〕：相機內(nèi)部感光元件的尺寸2.工作距離〔WorkingDistance〕：相機鏡頭前緣到物體外表的距離3.景深〔DepthofField〕：能維持影像距焦清晰的有效距離4.視野範圍〔FieldofView〕：相機所能擷取到物體的實際範圍5.解析度〔Resolution〕：指的是相機拍攝物體可辨識的最小尺寸，解析度越高，檢測精度也較好，表示能從影像中獲取有用的資訊越多光圈〔F〕用來表示所控制的光源進入鏡頭的總量，類似人類的瞳孔，光圈越大，表示能進入的光越多，反之越少。鏡頭上都會標示最大光圈值，如標示值為「1:1.8」，表示該鏡頭的最大光圈值為「1.8」，而數(shù)字越小，代表大光圈，反之越小。圖1.3-不同F(xiàn)值所代表的光圈大小焦距〔f〕：光通過鏡頭后匯集的點，該點到鏡頭之間的距離稱為焦距。圖1.4-光通過凸透鏡聚焦于一點〔fromWikipedia〕放大倍率〔M〕定義為影像與實體的比值，假設，表示拍攝到的影像只有實體的50%。圖1.5-單鏡面的光學成像塬理〔fromWikipedia〕計算公式如下：其中M表示放大倍數(shù)，do代表物距，ho代表實體大小，而d1代表像距，h1代表影像大小。景深〔DepthofField〕：定義為能維持影像距焦的有效距離。想得到一張「清晰」的影像，影像需在距焦範圍內(nèi)，景深就是決定這個範圍有多長。假設發(fā)現(xiàn)取到的影像位于距焦區(qū)內(nèi)只有局部是保存清晰，可能使用的鏡頭景深過短，此時可將鏡頭光圈調(diào)小、或替換短焦聚的鏡頭，再不然就是將物距〔do〕拉長，透過這叁種調(diào)整方式都有時機改善景深缺乏的現(xiàn)象。圖1.6-調(diào)整光圈來改善景深1.1.2相機介紹以上的專有名詞后，再來要介紹工業(yè)相機，它是構成影像系統(tǒng)最重要的光學元件之一，成像塬理是透過內(nèi)建的感光元件來吸收光線，轉(zhuǎn)換成儲存電荷，再將這些電荷傳輸?shù)椒糯蠼獯a器，經(jīng)由類比數(shù)位轉(zhuǎn)換后來呈現(xiàn)一張完整影像。以掃描方式分類相機的掃描方式可依據(jù)SenorSize類型分為LineScan與AreaScan兩種：目前市售的LineScan相機，解析度有1K〔1024pixel〕/2K/8K/16K，使用LineScan必需搭配運動掃描才能獲得一張完整的影像，適用于檢測需求為大面積與高檢測精度的應用。圖1.7-BaslerLineScan相機&感光元件〔*2*4〕AreaScan的相機應用比擬普及，在不需搭配運動裝置情況下就可以獲得完整影像﹔依據(jù)檢測精度的要求，可選擇的像素有30〔640*480〕/100/200/500MP〔megapixel〕，而更高解析度的相機，價格也相對高昂。圖1.8-BaslerAreaScan相機&感光元件〔*2*4〕感光元件尺寸〔SensorSize〕對于AreaSensor與LineSensor描述方法也有所不同；以AreaSensor來說，以對角線的長度來表示大小，單位為吋〔inch〕，值得注意的是，工業(yè)相機的1吋是16mm，非25.4mm，可參考附圖。圖1.9-AreaSensor感光元件尺寸而LineSensor那么是用影像長度〔ImageLength〕來描述，單位為mm，計算公式如下：這邊的pixelnumber單位的轉(zhuǎn)換是1K=1024pixel，假設使用pixelsize為5um，而pixelnumber為2K的LineSensor，套入公式可以得到一條LineSensor所能擷取到的影像長度為10.24mm。以感光元件分類假設以感光元件做區(qū)分有CMOS與CCD兩類：感光元件的感光度與製程有關，一般的CMOS感光度會比CCD還差，假設影像變化速度過快，記錄訊號的電流變化過于頻繁，就會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象，使得雜訊難以抑制。圖1.10-CCD與CMOS的成像方式〔from睿怡科技〕不過近年來，CMOS在製程上有所突破，感光能力有明顯提升，加上新的抑制雜訊技術，使得CMOS目前擁有更好的競爭優(yōu)勢，下面列出兩者的優(yōu)缺點比擬表：以影像色彩分類單以顏色做區(qū)分，相機又可以分為灰階〔Mono〕和彩色〔Color〕；所謂的「灰階影像」，是將色階由黑到白共切割為255等分所組成的8bit影像；而「彩色影像」分別由3組8bit的RGB顏色所組成的24bit影像，理論上最高可組合出1677萬種顏色，而彩色影像也可透過ExtractGColor來轉(zhuǎn)換成灰階影像。圖1.11-8bit灰階動態(tài)範圍圖1.12-二種彩色相機顏色組合方式〔*2〕以訊號傳輸類型分類最后相機依據(jù)傳輸?shù)姆绞娇煞譃镚igE、CameraLink、USB2.0/3.0等類型〔其他類型的傳輸介面這邊不多做闡述〕，可依據(jù)應用來評估應該選哪一類的相機，針對上述提到的相機類別整理一張比擬表：BaslerGigE介面相機BaslerCameraLink介面相機BaslerUSB3.0介面相機圖1.13-各種傳輸介面的相機〔*4〕簡單來說，假設檢測條件有高速取像的要求，盡可能選擇高傳輸率的相機來做為取像來源，如CameraLink或USB3.0，而使用CameraLink介面的相機需額外購置一張PCI介面的影像擷取卡，建置本錢較高；假設考量本錢與方便性，比擬建議使用GigE或者USB3.0的相機，這兩款相機在一般工業(yè)電腦上都有對應的IOPort，使用USB3.0優(yōu)勢在于無須額外再購置擷取卡且傳輸速度快，而使用GigE介面的相機還有傳輸距離較長的優(yōu)勢，唯一比擬麻煩的是還需外接電源，假設不想外接電源，可購置一張有POE〔PowerofEthernet〕功能的網(wǎng)路卡或電源供給器，整體的建置本錢還是會比CameraLink的相機廉價。PCI插卡式POE網(wǎng)路卡具電源供給的Adapter圖1.14-供電源的網(wǎng)路介面〔*2〕1.1.3鏡頭一般鏡頭分類選完相機，接著需要挑選一顆適合影像系統(tǒng)的鏡頭，常見的鏡頭有兩類：1.CCTVLens，2.TelecentricLens；各類優(yōu)點在于，CCTVLens鏡頭價格廉價且容易取得﹔而TelecentricLens那么是不需要調(diào)整光圈，取像品質(zhì)好，在有效的景深〔DOF〕內(nèi)，既使晃動下還是能保持清晰的影像。CCTVLensTelecentricLens圖1.15-常見的鏡頭類型〔*2〕什么情況下可能會需要選用CCTV或Telecentric的鏡頭呢﹖一般平面檢測工程，CCTV鏡頭就足夠，但CCTV的鏡頭有個致命傷，那就是成像尺寸會受待測物距離鏡頭的位置會影響，下列圖解釋使用CCTV與Telecentric拍攝45度斜面所得到的影像差異﹔假設今天要檢測的工程與尺寸量測有關，而待測物體的外型又剛好較立體，此時就必須考慮使用Telecentric鏡頭，在有效的景深內(nèi)，不管物體遠近，拍攝到的影像尺寸會表現(xiàn)一致。圖1.16-不同類型鏡頭，會因距離鏡頭遠近所造成的像差另外，在選擇鏡頭時，可以注意一下規(guī)格書上是否有標示變形量〔Distortion〕，變形量越少，表示影像失真度越低，檢測的尺寸誤差就會越少。理想的取像畫面應該與待測物成比例，由于鏡頭本身有弧度，所以鏡頭中心點到周圍會產(chǎn)生些許的變形量，一般的CCTV鏡頭或多或少都會有輕微「枕狀變形」或「桶狀變形」，而好一點的鏡頭因鏡頭材質(zhì)與加工都比擬優(yōu)良，所以變形量會降低不少。圖1.17-鏡頭失真造成的變形量挑選鏡頭步驟我們要如何挑選符合檢測需求的鏡頭呢？提供一些參考步驟：1.評估目前檢測要求的解析度〔Resolution〕，選擇符合的相機規(guī)格，判斷是否有變焦需求，假設無，一般定焦且低失真的鏡頭即可。2.根據(jù)影像系統(tǒng)規(guī)劃，可以得到工作距離〔WD〕與實際觀測物體所需的可視範圍〔FOV〕的資訊，利用這些參數(shù)來計算鏡頭實際所需要的焦距，首先計算符合需求的放大倍率〔M〕：再代入計算焦距f公式：可以得到符合需求的鏡頭實際的焦距需大于該數(shù)值。3.假設嫌計算公式麻煩的話，市面上有多家鏡頭廠商都有提供鏡頭目錄或軟體查詢，只要將目前環(huán)境所需要的參數(shù)填入，便可快速找到適當?shù)溺R頭。4.如果影像系統(tǒng)在固定的工作距離〔WD〕範圍內(nèi)找不到適當焦距的鏡頭，此時可搭配延伸環(huán)增加焦距，或者利用滑臺設計來微調(diào)工作距離，這些方法都有助于找出適用的鏡頭組合。1.1.4光源前面解說的相機與鏡頭，在挑選上比擬沒有問題，主要依據(jù)檢測條件來尋找適合的規(guī)格就可以了，但如何挑選適當?shù)墓庠磪s沒有想像中輕鬆容易，只能依現(xiàn)場環(huán)境因素與使用者經(jīng)驗來做篩選，藉由搭配不同光源類型與各種打光技巧，反覆測試驗證，才能找到適當?shù)墓庠唇M合，擷取到的影像是可以找到待測物的特徵。目前主流光源都採用LED燈，與傳統(tǒng)鹵素燈或螢光燈相比，具備高亮度、低耗電、低發(fā)熱量等特色，且使用壽命也較長。光源類型1.環(huán)形光源：又依角度可分為高角度環(huán)型光與低角度環(huán)形光等圖1.18-不同尺寸與色彩的環(huán)形光2.同軸光源：依據(jù)不同鏡頭類型可搭配外同軸或內(nèi)同軸外同軸內(nèi)同軸圖1.19-同軸光類型3.條形光源：也可將4組條形光源圍繞成方形光源圖1.20-條形光4.背光光源：主要功能在于凸顯物體的整體輪廓圖1.21-背光光源5.特殊光源：有專門減少陰影影響的碗狀型光源，或者由四個條狀燈源組合的回型光源回型光源碗狀光源圖1.22-特殊類型光源〔*2〕光源控制器光源主要的動力來源，可依據(jù)需求選擇支援多Channel的光源控制器，另外局部控制器支援利用軟體來控制光源強度，透過RS-232進行參數(shù)設定，有利于后續(xù)將光源調(diào)控功能整合。圖1.23-手動光源控制器〔*2〕圖1.24-可用軟體控制的光源控制器〔*2〕打光方式單純使用環(huán)境光源來取像是不夠的，會常發(fā)現(xiàn)取到的像不是不能用，就是特徵不明顯，此時需為影像系統(tǒng)搭配一組光源來強化影像特徵。挑選步驟可依據(jù)環(huán)境的配置以及產(chǎn)品的樣式來評估適合那些光源類型，