防止机器视觉线扫描相机中的热引起的图像变形

从天文成像中众所周知，各种大气条件和天气影响都会对图像质量产生影响。这是由于光路中空气的折射率的局部变化。这些变化与波长有关，并随着大气压力及其湿度的变化而变化。

在机器视觉领域，通常可以假设压力和湿度在整个光路上都是恒定的。但是，如果光路中存在可能导致局部压力变化的湍流气流，则此规则有一个例外。湍流的典型原因是不同温度下零件之间的热对流。机器视觉中常见的热源可以是照明、高负载电子设备，也可以是浇注金属等高温样品。

对成像的影响

湍流空气中的不同折射率充当梯度透镜，扭曲受影响区域的图像内容。翘曲的幅度和扩展既太复杂，又太依赖于数学建模的设置。相反，我们展示了这种效应的测量示例，以代表其典型幅度并指导您在自己的设置中进行测量。

在线扫描相机中，沿扫描方向的每条线的光学失真都是恒定的，因此在图像中不可见。这一事实将问题简化为一个空间维度（垂直于扫描方向）和时间维度。通过使用线扫描相机获取静态目标的图像，可以同时观察两个维度。光学畸变会使图像内容在x方向上的位置发生偏移，而y方向上翘曲的延伸则代表时间信息。

这种偏移可以通过对静态线图案进行成像来轻松测量。该测量的基本原理如图 1 所示。参考图像强度分布是通过对包含围绕每个 x 位置的几列区域（以绿色描绘）的感兴趣区域进行平均来获取的。一个方形测试块（用红色描绘）沿着整个列传递，并且对于每个位置，测试数据通过插值以亚像素步长移动。记录每个像素的测试和参考之间相关性最高的偏移，并可以绘制在色标图像中以可视化数据。

图 2 显示了使用具有 5 μm 光学分辨率的 Chromasens allPIXA 相机捕获的静态线条图案图像的可视化效果。在这种情况下，热源是在最大 LED 电流下运行的 Chromasens Corona II 管灯照明。在此设置中，光学失真的幅度在 <0.15 像素的范围内。湍流在位移图像中作为类似失真的区域可见。它们延伸到 10mm - 30mm 的大小并持续 200ms - 800ms。

该测量表明，由于标准照明的热对流导致的图像干扰幅度不会对标准检测任务产生明显影响。然而，依赖于亚像素精度的专业图像处理任务（例如亚像素精度特征提取或基于亚像素的图像相关性）可能会由于这些失真而降低测量精度。

图像变形抑制

通过防止湍流可以抑制图像扭曲效应。为此，可以使用风扇来产生层流。由于层流中的压力是恒定的，因此不会出现梯度透镜效应。气流要么需要覆盖热源的整个表面，要么需要覆盖可能出现湍流的整个光路体积。

对于线扫描相机，第二种选择通常更容易实现，因为光路被限制在一个平面上。因此，风扇可以安装在摄像机侧面，气流方向沿着传感器线。在上面的示例中，管灯观察狭缝正下方的体积中的空气需要通过层流灌注。由于照明的侧壁阻挡了气流的直接侧面通道，因此将风扇安装在管灯的顶部并以如图 3 所示的倾斜角度吹入观察狭缝。这种方法将失真的幅度降低到一个难以辨认的小尺寸。

结论

光路附近的热源会引入图像变形，从而局部改变图像内容的位置。对于线扫描相机，存在覆盖几毫米视场的类似偏移的图像区域，这些区域在大约一秒的时间范围内出现和消失。图像内容的亚像素分析将受到这种转变的负面影响。为了抑制这种影响，建议沿光路覆盖受来自风扇的层流气流影响的整个体积。

本文由研究与创新、创新与知识产权管理团队负责人 Timo Eckhard 撰写；和 Sebastian Georgi，Chromasens GmbH（德国康斯坦茨）研究与创新经理。欲了解更多信息，请联系 Mr. Eckhard 在此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。, Mr. Georgi at 该电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问 这里 .