Предотвращение деформации изображения под воздействием тепла в камерах машинного зрения с линейным сканированием

Из астрономических изображений хорошо известно, что различные атмосферные условия и погодные эффекты влияют на качество изображения. Это связано с локальными изменениями показателя преломления воздуха в оптическом тракте. Эти изменения зависят от длины волны и зависят от изменений атмосферного давления и влажности.

В области машинного зрения обычно можно предположить, что и давление, и влажность постоянны на всем оптическом пути. Однако из этого правила есть исключение, если на оптическом пути имеются турбулентные потоки воздуха, которые могут вызывать локальные изменения давления. Типичной причиной турбулентности является тепловая конвекция между частями при разных температурах. Обычными источниками тепла в машинном зрении могут быть освещение, высоконагруженная электроника или высокотемпературные образцы, такие как литой металл.

Влияние на визуализацию

Различные показатели преломления в турбулентном воздухе действуют как градиентная линза, которая искажает содержимое изображения в затронутых областях. Величина и протяженность искривления слишком сложны и слишком зависят от установки для математического моделирования. Вместо этого мы показываем пример измерения этого эффекта, чтобы представить его типичную величину и помочь вам измерить его в вашей собственной установке.

В камере с линейным сканированием оптические искажения постоянны для каждой строки вдоль направления сканирования и поэтому не видны на изображении. Этот факт сводит проблему к одному пространственному измерению — перпендикулярному направлению сканирования — и временному измерению. Оба измерения можно наблюдать одновременно, получая изображение статической цели с помощью камеры линейного сканирования. Оптическое искажение будет смещать положение содержимого изображения в направлении x, в то время как расширение искажения в направлении y представляет информацию о времени.

Этот сдвиг можно легко измерить, отобразив статическую линию. Основной принцип этого измерения показан на рисунке 1. Профиль интенсивности эталонного изображения получают путем усреднения интересующей области, содержащей площадь в несколько столбцов вокруг каждой позиции x (обозначенной зеленым цветом). Квадратный тестовый блок (обозначен красным) проходит по всему столбцу, и для каждой позиции тестовые данные сдвигаются на субпиксельные шаги посредством интерполяции. Сдвиг с наибольшей корреляцией между тестом и эталоном записывается для каждого пикселя и может быть нанесен на изображение в цветовой шкале для визуализации данных.

На рис. 2 показана эта визуализация из изображения статического узора из линий, снятого камерой Chromasens allPIXA с оптическим разрешением 5 мкм. Источником тепла в данном случае является ламповая лампа Chromasens Corona II, работающая при максимальном токе светодиода. В этой установке величина оптического искажения находится в диапазоне <0,15 пикселя. Турбулентности видны на сдвинутом изображении как области подобного искажения. Они распространяются на размер от 10 мм до 30 мм и сохраняются в течение 200–800 мс.

Это измерение показывает, что величина искажения изображения из-за тепловой конвекции от стандартного освещения не будет иметь заметного влияния на стандартные задачи контроля. Однако специализированные задачи обработки изображений, которые зависят от субпиксельной точности (например, извлечение признаков с точностью до субпикселя или корреляция изображений на основе субпикселей), скорее всего, покажут снижение точности измерения из-за этих искажений.

Подавление деформации изображения

Эффект искажения изображения можно подавить, предотвратив турбулентность. Для этого можно использовать вентилятор, создающий ламинарный поток воздуха. Поскольку давление в ламинарном потоке постоянно, не возникает эффекта градиентной линзы. Воздушный поток должен либо покрывать всю поверхность источника тепла, либо весь объем оптического пути, где вероятны завихрения.

Второй вариант обычно легче реализовать для камер с линейным сканированием, поскольку оптический путь ограничен плоскостью. Таким образом, вентилятор можно установить сбоку от камеры с направлением потока вдоль сенсорной линии. В приведенном выше примере воздух в объеме непосредственно под смотровой щелью лампового прожектора должен перфузироваться ламинарным потоком. Поскольку боковые стенки прожектора преграждают прямой боковой доступ воздушному потоку, вентилятор был установлен сверху на трубном фонаре и дул в смотровую щель под наклоном, как показано на рис. 3. Этот метод уменьшил величину искажения до неразличимо маленький размер.

Заключение

Источник тепла рядом с оптическим путем может вызвать деформацию изображения, которая локально сместит положение содержимого изображения. Для камер линейного сканирования существуют области изображения с аналогичным смещением, которые охватывают несколько миллиметров поля зрения, которые появляются и исчезают во временном интервале около одной секунды. Этот сдвиг негативно повлияет на субпиксельный анализ содержимого изображения. Для подавления этого эффекта рекомендуется покрывать весь объем оптического пути, на который воздействуют турбулентности, ламинарным потоком воздуха от вентилятора.

Эта статья была написана Тимо Экхардом, руководителем группы по исследованиям и инновациям, инновациям и управлению ИС; и Себастьян Георги, менеджер по исследованиям и инновациям, Chromasens GmbH (Констанц, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Экхардом по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Mr. Georgi at Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .