从天文成像中可以看出,各种大气条件和天气影响对成像质量有影响。这是由于光路中空气的折射率发生了局部变化。这些变化与波长有关,并随大气压力和湿度的变化而变化。

在机器视觉领域,压力和湿度通常可以被假定为在整个光程上是恒定的。然而,有一个例外,如果有湍流的空气流在光路可能导致局部压力变化。造成湍流的一个典型原因是不同温度下部件之间的热对流。在机器视觉中常见的热源可以是照明,高负荷电子,或高温样品,如浇铸金属。

对成像的影响

湍流空气中的不同折射率就像一个梯度透镜,使受影响区域的图像内容发生扭曲。翘曲的幅度和延伸既太复杂,也太依赖于建立数学模型的设置。相反,我们展示了一个测量这种效应的例子来代表它的典型大小,并指导您在您自己的设置中测量它。

在行扫描相机中,沿扫描方向的每一行的光学失真是恒定的,因此在图像中不可见。这一事实将问题简化为一个垂直于扫描方向的空间维度和时间维度。通过行扫描相机获取静态目标的图像,可以同时观察两个维度。光学失真会使图像内容在x方向上的位置发生偏移,而翘曲在y方向上的延伸则表示时间信息。

图1所示。图像位移测量方案示意图

这种位移可以很容易地通过静态线形成像来测量。图1描述了这种测量的基本原理。参考图像强度剖面图是通过平均包含在每个x位置周围有几列的区域(用绿色表示)的感兴趣区域来获得的。一个正方形的测试块(用红色表示)沿着整个列传递,对于每个位置,测试数据通过插值在亚像素步中移动。测试和参考之间具有最高相关性的移位记录为每个像素,并可以绘制在一个彩色尺度图像,以可视化的数据。

图2显示了由5 μm光学分辨率的Chromasens allPIXA相机捕获的静态线模式图像的可视化。这种情况下的热源是在最大LED电流下运行的Chromasens Corona II管状照明。在这个设置中,光学失真的幅度在<0.15像素的范围内。湍流在移位图像中可见为类似失真的区域。它们的长度为10mm - 30mm,持续时间为200ms - 800ms。

图2。彩色图像表示被测图像的位移。色标表示亚像素单位的位移。

该测量表明,由于热对流的图像扰动的大小从一个标准照明不会有明显的影响标准检查任务。然而,依赖于亚像素精度的专门图像处理任务(例如亚像素精确的特征提取或基于亚像素的图像相关)可能会由于这些失真而降低测量精度。

抑制图像扭曲

通过阻止湍流,可以抑制图像扭曲效应。为此,可以利用风扇来创造层流气流。由于层流中的压力是恒定的,因此不会发生梯度透镜效应。气流要么要覆盖热源的整个表面,要么要覆盖可能出现湍流的光路的整个体积。

第二种方法对于线扫描相机来说通常更容易实现,因为光路被限制在一个平面上。因此,风扇可以安装在摄像头的一侧,气流方向沿传感器线。在上面的例子中,管状光的观察狭缝下方的容积中的空气需要通过层流灌注。由于照明的侧壁挡住了气流的直接侧壁通道,因此将风扇安装在灯管的顶部,并以倾斜的角度吹入观察狭缝,如图3所示。这种方法把失真的幅度减小到一个看不见的小尺寸。

图3。推荐的抑制设置为Chromasens管光设置。为了举例说明,传感器在左边的图像中被描述为一个红点,在右边的图像中被描述为一条红线。

结论

靠近光路的热源可以引入图像扭曲,从而局部改变图像内容的位置。对于行扫描相机,存在覆盖视野数毫米的类似位移的图像区域,在大约一秒的时间内出现和消失。这种偏移会对图像内容的亚像素分析产生负面影响。为了抑制这种效应,建议覆盖光路沿线受来自风扇的层流湍流影响的整个体积。

本文作者Timo Eckhard, Team Leader, Research & Innovation, Innovation & IP Management;以及德国Chromasens GmbH (Konstanz, Germany)研究与创新经理Sebastian Georgi。欲了解更多信息,请与埃克哈德先生联系此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,格奥尔基先生此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。,或者访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子与成像技术杂志。

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