機(jī)器視覺(jué)對(duì)掃描相機(jī)成像的影響

從天文成象中，我們知道各種大氣條件和天氣影響對(duì)成象質(zhì)量有影響。這是由于光程中空氣的折射率發(fā)生了局部變化。這些變化依賴(lài)于波長(zhǎng)，并隨大氣壓和濕度的變化而變化。

在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，壓力和濕度通?？梢约俣ㄔ谡麄€(gè)光程上是恒定的。然而，這個(gè)規(guī)則有一個(gè)例外，如果在光路中有湍流氣流，可能導(dǎo)致局部壓力變化。湍流的一個(gè)典型原因是不同溫度下各部分之間的熱對(duì)流。機(jī)器視覺(jué)中常見(jiàn)的熱源可以是照明、高負(fù)載電子器件或高溫樣品，如澆注的金屬。

對(duì)行掃描相機(jī)成像的影響

湍流空氣中的不同折射率就像一個(gè)漸變透鏡，使受影響區(qū)域的圖像內(nèi)容發(fā)生扭曲。翹曲的大小和延伸既太復(fù)雜，又太依賴(lài)于建立數(shù)學(xué)模型。相反，我們展示了這個(gè)效果的一個(gè)測(cè)量示例，以表示它的典型大小，并指導(dǎo)您在自己的設(shè)置中測(cè)量它。

在直線掃描相機(jī)中，沿掃描方向的每條直線的光學(xué)畸變是恒定的，因此在圖像中不可見(jiàn)。這一事實(shí)將問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)空間維度——垂直于掃描方向——和時(shí)間維度。利用線掃描相機(jī)獲取靜態(tài)目標(biāo)的圖像，可以同時(shí)觀察到這兩個(gè)維度。光學(xué)畸變將使圖像內(nèi)容的位置在x方向上發(fā)生位移，而在y方向上變形的擴(kuò)展表示時(shí)間信息。

這種位移可以很容易地通過(guò)成像靜態(tài)線圖來(lái)測(cè)量。這種測(cè)量的基本原理如圖1所示(上圖)。參考圖像強(qiáng)度剖面圖是通過(guò)對(duì)一個(gè)感興趣的區(qū)域進(jìn)行平均，該區(qū)域包含每個(gè)x位置周?chē)膸讉€(gè)列(用綠色表示)。一個(gè)正方形的測(cè)試塊(用紅色表示)沿著整列傳遞，對(duì)每一個(gè)位置的測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)插值以亞像素的步驟進(jìn)行移動(dòng)。對(duì)每個(gè)像素記錄測(cè)試和參考之間具有最高相關(guān)性的偏移，并可以繪制在一個(gè)彩色比例圖像中以使數(shù)據(jù)可視化。

圖2:彩色圖像表示的測(cè)量圖像位移。顏色尺度以亞像素單位表示偏移

圖2顯示了使用光學(xué)分辨率為5°m的Chromasens allPIXA相機(jī)捕獲的靜態(tài)線模式圖像的可視化。在這種情況下，熱源是Chromasens Corona II管belight照明，運(yùn)行在最大的LED電流。在這種設(shè)置中，光學(xué)失真的幅度在<0.15像素的范圍內(nèi)。湍流在移位圖像中可以看到類(lèi)似的畸變區(qū)域。它們的長(zhǎng)度在10mm – 30mm之間，持續(xù)時(shí)間在200ms – 800ms之間。

該測(cè)量表明，標(biāo)準(zhǔn)照明產(chǎn)生的熱對(duì)流對(duì)圖像擾動(dòng)的大小不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)檢查任務(wù)產(chǎn)生明顯影響。然而，依賴(lài)于亞像素精度的特殊圖像處理任務(wù)(例如亞像素精確特征提取或基于亞像素的圖像相關(guān)性)可能會(huì)由于這些畸變而降低測(cè)量精度。

抑制圖像變形

通過(guò)防止湍流可以抑制圖像的翹曲效應(yīng)。為此目的，可以利用風(fēng)扇來(lái)產(chǎn)生層流氣流。由于層流中的壓力是恒定的，所以不會(huì)發(fā)生梯度透鏡效應(yīng)。氣流要么需要覆蓋熱源的整個(gè)表面，要么需要覆蓋光路的整個(gè)體積，在那里可能出現(xiàn)湍流。

圖3:推薦的抑制設(shè)置為Chromasens管belight設(shè)置。為便于說(shuō)明，傳感器在左側(cè)被描述為一個(gè)紅點(diǎn)，在右側(cè)被描述為一條紅線

對(duì)于線掃描相機(jī)，第二種選擇通常更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣饴繁幌拗圃谝粋€(gè)平面上。因此，風(fēng)扇可以按照傳感器線的流向安裝在相機(jī)的一側(cè)。在上面的例子中，在管狀管的觀察縫的正下方的體積中的空氣需要層流灌注。由于照明塊的側(cè)壁為氣流提供了直接的側(cè)入口，因此風(fēng)扇安裝在管板的頂部，并以?xún)A斜的角度吹入觀察縫，如圖3所示。這種方法將失真的幅度減小到一個(gè)難以辨認(rèn)的小尺寸。

總結(jié)

靠近光路的熱源可以引入圖像翹曲，從而局部改變圖像內(nèi)容的位置。對(duì)于行掃描相機(jī)，在大約一秒的時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)和消失覆蓋了幾毫米視場(chǎng)的類(lèi)似位移的圖像區(qū)域。這種變化將對(duì)圖像內(nèi)容的亞像素分析產(chǎn)生負(fù)面影響。為了抑制這種效果，建議沿受來(lái)自風(fēng)扇的層流氣流湍流影響的光路覆蓋整個(gè)體積。

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原文標(biāo)題：如何防止機(jī)器視覺(jué)線掃描相機(jī)熱引起的圖像變形

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