Perché la distorsione delle lenti è importante nella misurazione della visione artificiale

Introduzione: un piccolo errore geometrico può diventare un grande problema di ispezione

Nella visione artificiale, una lente può produrre un'immagine nitida e tuttavia essere la lente sbagliata per il lavoro da svolgere.

Potrebbe sembrare controintuitivo. Se una telecamera di ispezione riesce a vedere chiaramente un componente, un foro o un bordo, il sistema non dovrebbe essere in grado di misurarlo con precisione? Non necessariamente. La nitidezza dell'immagine e l'accuratezza geometrica sono proprietà diverse. Un obiettivo può risolvere i dettagli più fini mappando le linee rette in curve o modificando la scala dell'immagine dal centro verso i bordi.

Per applicazioni quali l'ispezione dimensionale, il posizionamento, l'allineamento e il rilevamento dei difetti, questa distinzione è importante. Un piccolo errore geometrico può influenzare una decisione di superamento/fallimento, spostare il punto di presa di un robot o creare misurazioni incoerenti lungo una linea di produzione.

Questo articolo spiega cosa significa la distorsione della lente in termini pratici, quando è più importante, come aiuta la calibrazione e cosa dovrebbero discutere gli ingegneri con un fornitore di lenti prima di impegnarsi in un progetto.

Cos'è la distorsione dell'obiettivo?

La distorsione dell'obiettivo è un'aberrazione geometrica che cambia il punto in cui appaiono i punti della scena nell'immagine. Viene comunemente descritta come distorsione a barilotto, distorsione a cuscinetto o una combinazione più complessa delle due.

Con la distorsione a barilotto, l'ingrandimento dell'immagine tende a diminuire verso i bordi, quindi le linee rette potrebbero piegarsi verso l'esterno. Con la distorsione a cuscinetto, le linee potrebbero piegarsi verso l'interno. I sistemi grandangolari possono anche mostrare modelli di distorsione più complessi che non possono essere descritti adeguatamente da un singolo semplice coefficiente.

La distorsione non significa necessariamente che l'immagine sia sfocata. Un bordo ad alto contrasto potrebbe rimanere nitido ma apparire in una posizione leggermente diversa da quella prevista. Per il monitoraggio visivo, ciò potrebbe essere accettabile. Per la misurazione, può essere fonte di errore sistematico.

Una distinzione utile è:

La risoluzione descrive la quantità di dettagli che un sistema di imaging può distinguere.

La distorsione descrive quanto fedelmente il sistema preserva la geometria della scena.

La ripetibilità descrive se il sistema restituisce risultati coerenti nelle stesse condizioni.

Un sistema di visione artificiale di successo potrebbe aver bisogno di tutti e tre, ma le priorità dipendono dal compito.

Quando la distorsione diventa un problema?

Misurazione dimensionale

Se il software converte i pixel in millimetri utilizzando un semplice fattore di scala, presuppone che la scala dell'immagine sia sufficientemente coerente nell'area di misurazione. La distorsione può violare tale presupposto. Una dimensione misurata vicino al centro potrebbe non corrispondere alla stessa scala fisica di una dimensione identica vicino a un angolo.

Guida e posizionamento del robot

Quando una telecamera guida un robot, le coordinate dell'immagine vengono trasformate in coordinate utilizzate dal robot o dal sistema di trasporto. Se la lente introduce un errore geometrico non corretto, la posizione stimata può spostarsi. L'impatto dipende dall'angolazione della telecamera, dalla distanza di lavoro, dal metodo di calibrazione e dalla tolleranza di posizionamento richiesta.

Ispezione di PCB, componenti e nastri

I sistemi di ispezione spesso confrontano le posizioni o le forme degli elementi con un riferimento. La distorsione può far apparire curva una feature nominalmente diritta o causare lo spostamento delle posizioni dei bordi. Ciò può complicare il confronto sul campo, soprattutto quando l'area di ispezione occupa la maggior parte del sensore.

Monitoraggio ad ampio campo

Non tutte le applicazioni necessitano di una bassa distorsione. In alcuni sistemi di sorveglianza o di consapevolezza situazionale, la copertura può essere più importante che preservare le linee rette. Nelle applicazioni di misurazione o mappatura, tuttavia, la precisione geometrica può rappresentare un requisito fondamentale. L'obiettivo giusto è quello ottimizzato per l'attività, non quello con il numero di distorsione più basso preso singolarmente.

Obiettivo a bassa distorsione o correzione software?

Non esiste una risposta universale. La progettazione ottica e la calibrazione del software possono completarsi a vicenda, ma risolvono il problema in modi diversi.

Una lente a bassa distorsione riduce otticamente la deviazione geometrica prima che l'immagine raggiunga il sensore. Ciò può semplificare l’elaborazione a valle e contribuire a preservare una mappatura più uniforme in tutto il campo.

La correzione software utilizza un modello calibrato per rimappare le coordinate dell'immagine. Può essere efficace quando la distorsione è stabile e la procedura di calibrazione è appropriata. Tuttavia, la correzione può ricampionare i pixel, ritagliare l'area utilizzabile dell'immagine e dipende dal fatto che la messa a fuoco, la posizione dell'obiettivo, l'allineamento del sensore e la temperatura rimangano sufficientemente costanti.

È anche importante distinguere la correzione della distorsione dalla correzione della prospettiva. Una fotocamera che osserva un oggetto piatto da un angolo introduce effetti prospettici anche se l'obiettivo stesso presenta una distorsione trascurabile. Un flusso di lavoro di calibrazione potrebbe dover modellare entrambi.

Un processo di sviluppo sensato consiste nel definire innanzitutto la precisione di misurazione richiesta, quindi valutare se la correzione ottica, la correzione software o una combinazione sono appropriate.

Che ne dici di un obiettivo telecentrico?

Gli obiettivi telecentrici vengono spesso presi in considerazione quando la precisione della misurazione è più importante delle dimensioni compatte o dell'ampia copertura in profondità. In un progetto telecentrico oggetto-spazio, i raggi principali sono approssimativamente paralleli nello spazio dell'oggetto, riducendo le variazioni di ingrandimento causate da piccole variazioni della distanza dell'oggetto.

Ciò può essere utile per misurare parti piatte, controllare i diametri o ispezionare componenti la cui altezza varia leggermente. Ma l’ottica telecentrica non è automaticamente la scelta migliore per ogni sistema di visione. Possono essere più grandi, più costosi e richiedono una distanza di lavoro e un campo visivo specifici.

Un obiettivo convenzionale a bassa distorsione può essere la soluzione migliore quando lo spazio, i costi o la copertura del campo sono più importanti. La decisione dovrebbe seguire la tolleranza effettiva e i vincoli meccanici.

Sei domande a cui rispondere prima di selezionare un obiettivo

Prima di richiedere un preventivo, ingegneri e acquirenti dovrebbero preparare le seguenti informazioni:

1.Qual è la tolleranza di misurazione? 

Un sistema progettato per rilevare un difetto evidente ha esigenze diverse, dalla misurazione di una caratteristica alla stretta tolleranza dimensionale.

2.Qual è il formato del sensore e la dimensione dei pixel? 

Il cerchio dell'immagine dell'obiettivo e le prestazioni di risoluzione devono essere adatti al sensore.

3.Quale campo visivo e distanza di lavoro sono necessari? 

Questi definiscono la geometria dell'immagine e influenzano fortemente la scelta delle lenti.

4.Dove si troverà la regione di interesse? 

Una piccola regione centrale può essere meno sensibile alla distorsione rispetto a una misurazione che copre l'intero fotogramma.

5.La telecamera o l'oggetto si muoveranno? 

Il movimento, le vibrazioni e la variazione della distanza di lavoro possono influire sulla stabilità della calibrazione.

6.Come verrà calibrato il sistema? 

Specificare tempestivamente il target di calibrazione, la procedura, la temperatura operativa e i criteri di accettazione.

Un fornitore può consigliare in modo più efficace quando questi dettagli sono disponibili. La “bassa distorsione” di per sé non è una specifica completa.

Come convalidare la lente nel sistema reale

Una scheda tecnica è un punto di partenza, non un sostituto del test dell'applicazione. Utilizzare una griglia calibrata o un altro target di riferimento adatto attraverso il campo visivo previsto. Controllare le prestazioni del centro e dei bordi, ripetere la misurazione dopo aver rimesso a fuoco o rimontato, ove pertinente, e verificare il risultato alla distanza di lavoro effettiva.

Se l'applicazione funziona in un intervallo di temperature, includere condizioni termiche rappresentative. Se la correzione del software fa parte del piano, convalidare l'intera catena di elaborazione dell'immagine anziché giudicare solo l'immagine grezza.

È anche utile definire una metrica di accettazione chiara. Potrebbe trattarsi dell'errore residuo massimo dopo la calibrazione, della ripetibilità di una dimensione misurata o dell'errore di posizionamento in posizioni dell'immagine specificate. La metrica giusta dipende dal caso d'uso.

Dove l'ottica Boshi può aiutare

Ottica Boshisupporta prodotti ottici per la sicurezza, l'imaging industriale, l'elettronica automobilistica, l'imaging medico e altre applicazioni per fotocamere. Per i progetti che richiedono un obiettivo compatto o una configurazione ottica specifica per l'applicazione, i clienti possono iniziare esaminando ilGamma di obiettivi M12o discutere i requisiti attraverso prodotti ottici personalizzati.

Per un'utile discussione tecnica, fornire il modello del sensore, le dimensioni del target, il campo visivo, la distanza di lavoro, l'involucro meccanico disponibile, l'ambiente operativo e la tolleranza di misurazione richiesta. Questi dettagli aiutano a stabilire se una lente standard è appropriata o se è opportuno valutare un design più specializzato.

Conclusione: specifica l'errore che puoi accettare

La scelta delle lenti per la visione artificiale non è semplicemente la ricerca di un'immagine nitida. Quando il sistema misura, allinea o guida il movimento, la fedeltà geometrica può essere importante quanto la risoluzione.

Inizia con la tolleranza dell'applicazione. Comprendi dove conta la distorsione nel campo visivo. Decidi come funzioneranno insieme le prestazioni ottiche e la calibrazione, quindi convalida l'intero sistema di telecamere in condizioni realistiche.

La domanda più utile non è semplicemente: “Questo obiettivo ha una bassa distorsione?” La domanda è: "Questo sistema di imaging può soddisfare la precisione richiesta, in modo ripetibile, nel modo in cui verrà effettivamente utilizzato?"