Предотвращение теплового искажения изображения в линейно-сканирующих камерах машинного зрения

Хорошо известно из астрономической визуализации, что различные атмосферные условия и погодные эффекты влияют на качество изображения. Это связано с локальными изменениями показателя преломления воздуха в оптике пути. Эти изменения зависят от длины волны и варьируются с изменениями атмосферного давления и его влажности.

В области машинного зрения как давление, так и влажность обычно могут предполагаться постоянными на всем оптике пути. Однако есть исключение из этого правила, если есть турбулентные воздушные течения в оптике пути, которые могут вызывать локальные изменения давления. Типичной причиной турбулентности является тепловая конвекция между частями при разных температурах. Общими источниками тепла в машинном зрении могут быть либо освещение, электроника с высокой нагрузкой, или образцы с высокой температурой, такие как отлитый металл.

Влияние на визуализацию

Разные показатели преломления в турбулентном воздухе действуют как градиентная линза, которая искривляет содержание изображения в затронутых областях. Величина и расширение искажения слишком сложны и слишком зависят от установки для математического моделирования. Вместо этого мы показываем пример измерения этого эффекта для представления его типичной величины и руководства вас в измерении его в вашей собственной установке.

В линейно-сканирующей камере оптическое искажение постоянно для каждой линии вдоль направления сканирования и поэтому не видно в изображении. Этот факт сводит проблему к одному пространственному измерению — перпендикулярному направлению сканирования — и временному измерению. Оба измерения могут быть наблюдаены сразу путем получения изображения статичной цели с линейно-сканирующей камерой. Оптическое искажение сдвинет позицию содержания изображения в x-направлении, в то время как расширение искажения в y-направлении представляет временную информацию.

Этот сдвиг может легко быть измерен путем визуализации статичного линейного паттерна. Основной принцип этого измерения изображен на Рисунке 1. Референсный профиль интенсивности изображения берется путем усреднения области интереса, содержащей область нескольких колонок вокруг каждой x-позиции (изображен в зеленом). Квадратный тестовый блок (изображен в красном) проходит вдоль всей колонки и для каждой позиции тестовые данные сдвигаются в субпиксельных шагах через интерполяцию. Сдвиг с наивысшей корреляцией между тестом и референсом записывается для каждого пикселя и может быть отображен в цветовой шкале изображения для визуализации данных.

Рисунок 2 показывает эту визуализацию из изображения статичного линейного паттерна, захваченного камерой Chromasens allPIXA с 5 мкм оптическим разрешением. Источником тепла в этом случае является освещение Chromasens Corona II tubelight, работавшее на максимальном токе LED. В этой установке величина оптического искажения в диапазоне <0.15 пикселя. Турбулентности видны на изображении сдвига как области похожего искажения. Они расширяются на размер 10-30 мм и сохраняются 200-800 мс.

Это измерение показывает, что величина нарушения изображения из-за тепловой конвекции от стандартного освещения не будет иметь заметного влияния для стандартных задач инспекции. Однако специализированные задачи обработки изображений, зависящие от субпиксельной точности (например, субпиксельное извлечение признаков или субпиксельная корреляция изображений), вероятно, покажут сниженную точность измерения из-за этих искажений.

Подавление искажения изображения

Эффект искажения изображения может быть подавлен предотвращением турбулентностей. Для этой цели может быть использован вентилятор для создания ламинарного потока воздуха. Поскольку давление в ламинарном потоке постоянно, эффекты градиентной линзы не возникнут. Воздушный поток должен покрывать либо всю поверхность источника тепла, либо весь объем оптике пути, где турбулентности вероятно появятся.

Вторая опция обычно легче реализовать для линейно-сканирующих камер, так как оптике путь ограничен плоскостью. Вентилятор может быть установлен сбоку от камеры с направлением потока вдоль линии сенсора. В примере выше воздух в объеме непосредственно ниже видового щели tubelight должен быть продуваем ламинарным потоком. Поскольку боковые стенки освещения блокируют прямой боковой доступ для воздушного потока, вентилятор был установлен на верху tubelight и дует в видовое щело под наклонным углом, как показано на Рисунке 3. Этот метод уменьшил величину искажения до неразличимого малого размера.

Заключение

Источник тепла рядом с оптике путем может ввести искажение изображения, которое локально сдвигает позицию содержания изображения. Для линейно-сканирующих камер существуют области изображения с похожим сдвигом, покрывающие несколько мм поля зрения, которые возникают и исчезают в временном окне около одной секунды. Субпиксельный анализ содержания изображения будет негативно влиять этим сдвигом. Для подавления этого эффекта рекомендуется покрыть весь объем вдоль оптике пути, затронутый турбулентностями, ламинарным воздушным током от вентилятора.

Эта статья написана Тимо Экхард, лидер команды, Исследования и Инновации, Управление инновациями и IP; и Себастьян Георги, менеджер Исследований и Инноваций, Chromasens GmbH (Констанц, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Экхардом по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., г-ном Георги по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., или посетите здесь .