直方图均衡视觉显著_图像采集：机器视觉中图像采集优化方法介绍

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来源&＃xff1a;act视觉系统设计 编辑&＃xff1a;新机器视觉

机器视觉在不同的复杂技术领域有着广泛应用。在简单的应用中(例如&＃xff0c;利用背光检测不透明物体的轮廓)&＃xff0c;成像系统可在宽松的系统参数条件下可靠地运行。但在要求较高的应用中(比如检测镜面的表面缺陷)&＃xff0c;必须将主要参数设置在较小的公差范围内&＃xff0c;或使用成本更高的高精度硬件&＃xff0c;成像系统才能稳定运行。

成像系统中涉及的主要参数的数量&＃xff0c;随着成像应用复杂度的提高而增加。Edmund Optics东京成像实验室对此进行了研究&＃xff0c;对于要求较高的成像应用&＃xff0c;需要精确调整的参数大约多达20个。

图像采集优化

本文主要讨论图像采集优化(以下称为OIA)&＃xff0c;即&＃xff1a;将成像系统中的所有主要参数调整到能够获得最佳图像的过程。完成OIA后&＃xff0c;获得的图像具有以下共同特点&＃xff1a;

1)在成像系统物理条件限制下&＃xff0c;所拍摄的图像获得尽可能多的有用信息&＃xff1b;

2)尽可能多地利用相机传感器的有效像素&＃xff0c;让待测工件在视野范围内(FOV)最大呈现&＃xff0c;仅受工件几何形状和位置变化的限制&＃xff1b;

3)在不使用降噪算法的情况下&＃xff0c;图像具有最高的信噪比&＃xff0c;仅受传感器的参数限制&＃xff1b;

4)图像的动态范围接近最大值&＃xff0c;没有达到饱和&＃xff1b;

5)图像中没有来自其他外部环境产生的不必要影像(例如未使用扩散片的环形光产生的亮斑)。

为达成OIA&＃xff0c;需要对所有主要参数进行精确调整。经过OIA调整后的成像系统&＃xff0c;为机器视觉系统集成商提供了以下优势&＃xff1a;

1)高性价比

成像系统中的关键组件(成像镜头、相机、照明光源和光机结构)充分发挥作用&＃xff0c;实现了具有成本效益的解决方案。

2)最少的图像运算处理和分析&＃xff0c;最低的软件复杂度

由于OIA可以获得高还原度、高对比度和低噪声的图像&＃xff0c;因此对图像处理算法(例如降噪、直方图均衡、膨胀/腐蚀)的需要降至最低&＃xff0c;从而显著减少了开发周期、测试时间和硬件成本。

3)显著降低误判率&＃xff0c;高质量的图像减少了测试错误

已经调整好的成像系统可以满足以下条件&＃xff0c;如图1和图2所示&＃xff1a;

1)像平面(传感器面)和物面(检查工件表面)平行&＃xff1b;

2)被检查的工件表面位于工作距离(WD)最佳聚焦位置&＃xff1b;

3)被检查的工件&＃xff0c;接近FOV拍摄矩形成像区域大小&＃xff0c;但不超过FOV&＃xff1b;

4)工件中心位于镜头的光轴上&＃xff1b;

5)被检查工件的浅色(白色、浅灰色等)区域特征&＃xff0c;其成像亮度接近像素灰度饱和值(例如8位格式为255&＃xff0c;灰度值可以达到220)&＃xff0c;但未达到饱和。

图1&＃xff1a;成像系统调整要求&＃xff0c;透视图

图2&＃xff1a;成像系统调整要求&＃xff0c;上视图

调整方法

通常的调整方法是&＃xff1a;操作人员通过相机观察图像&＃xff0c;以主观判断完成。由Edmund Optics 日本分公司开发的调整应用程序&＃xff0c;可对成像系统中的11-17个参数(取决于硬件条件)进行即时测量&＃xff0c;从而为操作人员提供实时量化的参数以进行判断。

以下案例中&＃xff0c;使用的是西门子星标测试板(产品编号58835)。将星标测试板的标刻面朝向成像系统&＃xff0c;并使其与待测物平面重合。

使用EO开发的EORTM(Edmund Optics Real-Time Metrology)软件&＃xff0c;实时运算和分析拍摄到的测试板图像。EORTM可以在精确调整至少8组硬件参数(光学机械平台的六个自由度、光源亮度和相机曝光时间)的过程中&＃xff0c;给操作人员提供实时闭环反馈。

借助EORTM&＃xff0c;在高精度机器视觉应用中调整参数的时间&＃xff0c;从大约数小时减少到20分钟甚至更短&＃xff0c;但是精度却提高了至少2倍&＃xff0c;因为它提供精确可量化指标&＃xff0c;而不是依靠主观判断。

一旦所有硬件调整都在软件设定的允许范围内&＃xff0c;EORTM将显示如图3所示的全部通过状态&＃xff0c;并且判定图像系统已调整完成。

图3&＃xff1a;使用EORTM软件和西门子星标测试板进行微调

硬件配置包含一个6维自由度调整平台和相关的光机结构件&＃xff0c;以及照明光源和测试板&＃xff0c;完全由EO产品目录中的标准产品组成&＃xff0c;如图4所示。

图4&＃xff1a;Edmund Optics 6维调整定位平台用于成像系统调整

结论

为了达到OIA&＃xff0c;需要精确调整近20种光学、机械、电子和软件参数。表1中列出了这些参数&＃xff0c;根据其需要调整的频率归类为&＃xff1a;

1)设计阶段(DT)&＃xff1a;一次&＃xff0c;系统规划选型时&＃xff1b;

2)设置阶段(ST)&＃xff1a;一次&＃xff0c;相机初始化安装时&＃xff1b;

3)实时调整(RT)&＃xff1a;多次&＃xff0c;在OIA调整过程中视需要&＃xff0c;可通过可视化或使用软件实时测量获得反馈。

表1&＃xff1a;OIA调整过程的主要参数

注&＃xff1a;1&＃xff1a;通常也称为分辨率&＃xff1b;2&＃xff1a;像素大小代表图像分辨率&＃xff0c;这里没有列出&＃xff0c;因为它可以根据像素数量和传感器尺寸计算得出。