快速執(zhí)行可重復(fù)、高精度測(cè)量的能力對(duì)于最大化許多機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。對(duì)于此類(lèi)系統(tǒng),遠(yuǎn)心鏡頭可以獲得盡可能高的精度。本節(jié)討論遠(yuǎn)心鏡頭的獨(dú)特性能特征以及遠(yuǎn)心度如何影響系統(tǒng)性能。

零角視場(chǎng):視差消除

傳統(tǒng)鏡頭具有角視場(chǎng) (AFOV),因此隨著鏡頭與物體之間的距離增加,放大倍率會(huì)降低。這就是人類(lèi)視覺(jué)的行為方式并影響我們的深度感知。這種 AFOV 會(huì)導(dǎo)致視差,也稱為透視誤差,這會(huì)降低精度,因?yàn)槿绻�物體移動(dòng)(即使保持在景深 [DOF] 內(nèi)),由于放大倍數(shù)的變化,視覺(jué)系統(tǒng)的觀察測(cè)量值也會(huì)發(fā)生變化。遠(yuǎn)心鏡頭具有恒定的非角度 FOV,消除了傳統(tǒng)鏡頭的視差特性;在距鏡頭任何距離處,遠(yuǎn)心鏡頭將始終具有相同的 FOV。有關(guān)非遠(yuǎn)心和遠(yuǎn)心 FOV 之間的區(qū)別,請(qǐng)參見(jiàn)圖 1。

遠(yuǎn)心鏡頭的恒定 FOV 對(duì)測(cè)量應(yīng)用既有好處也有限制。遠(yuǎn)心鏡頭的主要優(yōu)點(diǎn)是其放大倍數(shù)不會(huì)隨深度而變化。圖 2顯示了處于不同工作距離 (WD) 的兩個(gè)不同物體,由固定焦距(非遠(yuǎn)心)鏡頭(中心)和遠(yuǎn)心鏡頭(右)成像。請(qǐng)注意,在使用遠(yuǎn)心鏡頭拍攝的圖像中,無(wú)法分辨哪個(gè)物體在另一個(gè)物體的前面。使用定焦鏡頭,很明顯,看起來(lái)較小的物體離鏡頭更遠(yuǎn)。

雖然圖 2在 WD 偏移方面非常激烈,但它說(shuō)明了最小化視差誤差的重要性。許多自動(dòng)化檢測(cè)任務(wù)是對(duì)通過(guò)成像系統(tǒng) FOV 移動(dòng)的對(duì)象進(jìn)行成像,并且零件的位置很少是完全可重復(fù)的。如果鏡頭成像的每個(gè)物體的 WD 不相同,則每個(gè)物體的測(cè)量值將因放大倍數(shù)偏移而有所不同(請(qǐng)參閱分辨率以了解有關(guān)放大倍率及其定義的更多信息)�；�于倍率校準(zhǔn)誤差(這是固定焦距鏡頭不可避免的)輸出不同結(jié)果的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一種不可靠的解決方案,在需要高精度時(shí)無(wú)法使用。遠(yuǎn)心鏡頭消除了對(duì)測(cè)量誤差的擔(dān)憂,否則會(huì)因振動(dòng)傳送帶或零件位置不準(zhǔn)確等因素而發(fā)生。

圖 1:傳統(tǒng)鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭的 FOV 比較。注意常規(guī)鏡頭的 AFOV 和遠(yuǎn)心鏡頭的零角 FOV。

圖 2:固定焦距鏡頭的 AFOV 轉(zhuǎn)化為圖像中的視差誤差,并導(dǎo)致兩個(gè)立方體看起來(lái)大小不同。

遠(yuǎn)心鏡頭和景深

遠(yuǎn)心鏡頭本身具有比傳統(tǒng)鏡頭更大的自由度,這是一種常見(jiàn)的誤解。雖然 DOF 最終仍由鏡頭的波長(zhǎng)和 f/# 控制,但由于最佳焦點(diǎn)兩側(cè)的對(duì)稱模糊,遠(yuǎn)心鏡頭確實(shí)可以具有比傳統(tǒng)鏡頭更大的可用 DOF。當(dāng)被檢查部件移向或遠(yuǎn)離鏡頭時(shí),它將跟隨與其關(guān)聯(lián)的 AFOV(或主光線)。在非遠(yuǎn)心鏡頭中,當(dāng)物體移入和移出焦點(diǎn)時(shí),由于視差和與其 AFOV 相關(guān)的放大倍數(shù)變化,該部分會(huì)不對(duì)稱地模糊。然而,遠(yuǎn)心鏡頭會(huì)對(duì)稱地模糊,因?yàn)?FOV 沒(méi)有角度分量。實(shí)際上,這意味著諸如邊之類(lèi)的特征會(huì)保留其質(zhì)心位置;

雖然它可能看起來(lái)違反直覺(jué),但在某些使用遠(yuǎn)心鏡頭的應(yīng)用中可以有利地使用模糊。例如,如果機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要找到引腳的中心位置,如圖 3a所示,當(dāng)鏡頭對(duì)焦時(shí),從白色到黑色的過(guò)渡非常清晰。在圖 3b 中,同一引腳顯示為略微散焦。

如圖 4 所示,從沿零件邊緣截取的線條輪廓中查看圖像灰度級(jí)圖,對(duì)于略微散焦的圖像,線條的斜率要淺得多,因?yàn)橐�腳邊緣分布在更多像素上。由于遠(yuǎn)心鏡頭的對(duì)稱模糊,這種模糊仍然可用,因?yàn)橘|(zhì)心沒(méi)有移動(dòng)并且所需的子像素插值量減少了。這降低了對(duì)傳感器噪聲引起的灰度波動(dòng)的敏感性,并允許更可靠地找到引腳中心位置并具有更高的可重復(fù)性。

圖 3:在焦內(nèi)和焦外成像的同一圖釘。請(qǐng)注意,當(dāng)鏡頭略微失焦 (b) 時(shí),從白色到黑色的過(guò)渡會(huì)覆蓋更多像素,這可能是有利的。

圖 4:顯示聚焦邊緣和散焦邊緣之間斜率差異的圖。散焦邊緣占用更多像素;不依賴于子像素插值,找到邊緣變得更容易。

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