快速執行可重復、高精度測量的能力對于最大化許多機器視覺系統的性能至關重要。對于此類系統,遠心鏡頭可以獲得盡可能高的精度。本節討論遠心鏡頭的獨特性能特征以及遠心度如何影響系統性能。

零角視場:視差消除

傳統鏡頭具有角視場 (AFOV),因此隨著鏡頭與物體之間的距離增加,放大倍率會降低。這就是人類視覺的行為方式并影響我們的深度感知。這種 AFOV 會導致視差,也稱為透視誤差,這會降低精度,因為如果物體移動(即使保持在景深 [DOF] 內),由于放大倍數的變化,視覺系統的觀察測量值也會發生變化。遠心鏡頭具有恒定的非角度 FOV,消除了傳統鏡頭的視差特性;在距鏡頭任何距離處,遠心鏡頭將始終具有相同的 FOV。有關非遠心和遠心 FOV 之間的區別,請參見圖 1。

遠心鏡頭的恒定 FOV 對測量應用既有好處也有限制。遠心鏡頭的主要優點是其放大倍數不會隨深度而變化。圖 2顯示了處于不同工作距離 (WD) 的兩個不同物體,由固定焦距(非遠心)鏡頭(中心)和遠心鏡頭(右)成像。請注意,在使用遠心鏡頭拍攝的圖像中,無法分辨哪個物體在另一個物體的前面。使用定焦鏡頭,很明顯,看起來較小的物體離鏡頭更遠。

雖然圖 2就 WD 偏移而言是劇烈的,但它說明了最小化視差誤差的重要性。許多自動化檢測任務是對通過成像系統 FOV 移動的物體進行成像,并且零件的位置很少是完全可重復的。如果鏡頭成像的每個物體的 WD 不相同,則每個物體的測量值將因放大倍數偏移而有所不同(請參閱分辨率了解有關放大倍率及其定義的更多信息)。基于倍率校準誤差(這是固定焦距鏡頭無法避免的)輸出不同結果的機器視覺系統是一種不可靠的解決方案,在需要高精度時無法使用。遠心鏡頭消除了對測量誤差的擔憂,否則會因振動傳送帶或零件位置不準確等因素而發生。

圖 1:傳統鏡頭和遠心鏡頭的 FOV 比較。注意常規鏡頭的 AFOV 和遠心鏡頭的零角 FOV。

圖 2:固定焦距鏡頭的 AFOV 轉化為圖像中的視差誤差,并導致兩個立方體看起來大小不同。

遠心鏡頭和景深

遠心鏡頭本身具有比傳統鏡頭更大的自由度,這是一種常見的誤解。雖然 DOF 最終仍由鏡頭的波長和 f/# 控制,但由于最佳焦點兩側的對稱模糊,遠心鏡頭確實可以具有比傳統鏡頭更大的可用 DOF。當被檢查部件移向或遠離鏡頭時,它將跟隨與其相關聯的 AFOV(或主光線)。在非遠心鏡頭中,當物體移入和移出焦點時,由于視差和與其 AFOV 相關的放大倍數變化,該部分會不對稱地模糊。然而,遠心鏡頭會對稱地模糊,因為 FOV 沒有角度分量。實際上,這意味著諸如邊之類的特征會保留其質心位置;

雖然它可能看起來有悖常理,但在某些使用遠心鏡頭的應用中可以有利地使用模糊。例如,如果機器視覺系統需要找到引腳的中心位置,如圖 3a所示,當鏡頭對焦時,從白色到黑色的過渡非常清晰。在圖 3b 中,同一引腳顯示為略微散焦。

如圖 4 所示,從穿過零件邊緣獲取的線條輪廓的圖像灰度級圖來看,對于稍微散焦的圖像,線條的斜率要淺得多,因為引腳邊緣分布在更多像素上。由于遠心鏡頭的對稱模糊,這種模糊仍然可用,因為質心沒有移動并且所需的子像素插值量減少了。這降低了對傳感器噪聲引起的灰度波動的敏感性,并允許更可靠地找到引腳中心位置并具有更高的可重復性。

圖 3:在焦內和焦外成像的同一圖釘。請注意,當鏡頭略微失焦 (b) 時,從白色到黑色的過渡會覆蓋更多像素,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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