KEYSTONE、机器视觉需要镜头的选择和分析和其优点

 

如果把工业相机比喻为人的眼睛，工业镜头就好比是眼球，它直接关系到监看物体的远近、范围和效果。工业镜头的选用应考虑一下几点：

1）工业镜头尺寸应等于或大于工业相机成像面尺寸。例如：1/3″工业相机可选1/3″～1″整个范围内的工业镜头，但水平视角的大小都是一样的。只是使用大于1/3″的工业镜头能够更多地利用成形，更精确了工业镜头中心光路，所以可提高图像质量和分辨率。

2）选用合适的工业镜头焦距。焦距越大，监看距离越远，水平视角越小，监视范围越窄；焦距越小，监看距离越近，水平视角越大，监视范围越宽。工业镜头焦距可按照以下公式估算。

f=A&TImes;L/H
(f--镜头焦距；A--摄像机CCD垂向尺寸；L--被摄物体到镜头距离；H--被摄物体高度)

格式 1英寸  2/3英寸 1/2英寸 1/3英寸 1/4英寸 
CCD垂向尺寸  9.6㎜  6.6㎜ 4.8㎜  3.6㎜ 2.7㎜

3）考虑环境光线的变化,光线对图像的采集效果起着十分重要的作用。一般来说，对于光线变化不明显的环境，常选用手动光圈镜头，将光圈手调到一个比较理想的数值后就可不动了；如果光线变化较大，如室外24小时监看，应选用自动光圈，能够根据光线的明暗变化自动调节光圈值的大小，保证图像质量。但需注意的是，如果光线照度不均匀，特别是监视目标与背景光反差较大时，采用自动光圈镜头效果不理想。

4）考虑最佳监看范围。因为工业镜头焦距和水平视角成反比，因此既想看得远，又想看得宽阔和清晰，这是无法同时实现的。每个焦距的镜头都只能在一定范围内达到最佳的监看效果，所以如果监看的距离较远且范围较大，最好是增加摄像机的数量，或采用电动变焦镜头配合云台安装。

5）工业镜头接口与工业相机接口要一致。现在的工业相机和工业镜头通常都是CS型接口，CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接，但和C型镜头接配时，必须在工业镜头和工业相机之间加接配环，否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD工业相机的损坏。C型工业相机不能和CS型工业镜头配接。

近年来利用影像量测物品尺寸已经成为行业发展的趋势。由于相机，影像软件及照明组件等设备的进步，让影像量测物品尺寸的精准度能媲美或更胜于手动或雷射光的量测。

整合光学系统工程的应用，我们可发现光学产品的优劣决定了系统的品质，而远心镜头能执行各种形式的光学量测。

软件工程需要具高分辨率、高对比性和低几何变形特性的拍摄影像来判断出精准的量测数据。

除了光学设备本身的要求，视角的选择也具相当的重要性，在不适当的观测点下量测物体，会造成物体拍摄影像的扭曲。

除了影像处理过程中会造成的干扰，系统设计者也同时将光学配备本身会影响光学量测精准性的几个限制纳入考虑：

1．由于物体摆放位置而造成的不正常放大

2．影像的变形

3．视角选择而造成的误差

4．低影像分辨率

5．不适当光源干扰下造成边界的不确定性

远心镜头能有效降低甚至消除以上的问题，因此远心镜头也成为精密光学量测系统决定性的因素。

图一：不同镜头的光学原理

接下来我们简要的介绍远心镜头是如何有效降低噪声及变形等问题。

---

一、放大倍率的一致性

光学量测系统通常会自物体正上方拍摄(不纪录物体侧面)以测量其直径或直线距离。由于许多机械零组件无法精准定位或具有高度差或厚度等问题，工程师需要可靠光学量测系统来判定影像与物体的实际间距。

左上图为利用远心镜头拍摄圆柱形零件上的齿条；左下图为利用普通镜头拍摄同样对象的影像；右上图为两个同样对象置于相距100 mm下利用远心镜头拍的影像；右下图为同样情形下利用普通镜头捕捉的影像。

 

 

在一般标准镜头下，物体的影像大小会因为与镜头的距离(标记为“s”)不同而改变。同样的，不同大小的对象可能会受距离的影响而看起来相同。

 

反观远心镜头能容许一定程度的距离改变，在＂限定景深＂或＂远心度区间＂内，影像不会因物体与镜头间距离的改变而放大或缩小。

此特性是由于在光学系统中，只有与光轴平行的光束会被接收，因此远心镜头必须大于或等于被摄物体的直径。

“Telecentric”这个单字是来自于希腊前缀”tele-”(遥远)以及字根”center”(中心，在此代表着光学系统的轴心)，代表此光学系统的入射光线在通过远心镜头时是与镜头的中央轴心平行，而成像点会在远心镜头的焦点平面上。

在远心系统内，唯有与轴心平行或接近平行的光束会被接受。

在此我们举个简单的例子来说明两种光学系统的差异性。
首先我们使用一个焦距为12毫米的标准镜头 (f = 12 mm) 及以1/3吋的侦测器为接口来测定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 对象。当对象位移1毫米 (ds = 1mm)时，其成像大小将会有约略0.1毫米的差异(如以下公式)。
dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm

在telecentric光学系统下，成像的大小的变化取决于” telecentric 曲线”，一个高品质远心镜头的曲线角度(theta)能趋近于0.1°(0,0017 rad)，代表当物体同样移动1毫米 (ds = 1mm) 时，其成像将只会有0.0017毫米的改变。
dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm

因此相较于标准镜头，远心镜头能将放大倍率的误差缩小至1/10或甚至1/100。

 

上图：远心曲线决定了物体被移动时成像改变的倍率。

“Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在维持放大倍率下能摆设物体的范围。然而当物体不在telecentric range中并不代表镜头功能就不具远心的特性，影像的变异程度主要是由镜头的”远心曲线” (由前文的” theta”所定出来的) 或 ”远心度”所决定，这个曲线决定了物体在移动时造成的影像误差大小，然而当主要入射光束与光轴”平行”时，成像的大小就不会因物体置放的距离而影响。由于远心镜头必须接收与光轴平行的入射光源，远心镜头的尺寸必须比拍摄物体还大，因此远心镜头会比一般镜头大且厚重，成本也比一般镜头高。

---

二、低失真度 (DistorTIon)

影像的变形是限制光学量测准确性的重要因素之一，再好的镜头都还是无法避免。然而有时候一或数个像素的错误可能具决定性的影响。 失真度也可以说是影像与实际画面的差异度。失真度是利用影像点与影像中心位置的距离和在标准影像(未失真影像)的实际距离之间的差异来计算。举例来说，一个与画面中心距离200像素的标的在影像画面中只有和中心点间隔198个像素，其失真度则为：
distorTIon = (198-200)/200 = -2/200 = 1%

 

正向放射性失真 (PosiTIve radial distortion) 也被称为 “pincushion” 性失真，负向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另称为 “barrel” distortion。此类的变形和影像中心的距离大小有绝对的关联性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion

 

影像的失真可被视作真实画面经过二维几何性变形的结果，由于通常不是线性改变而是二或三度的多项式的变形，影像会被些许的拉扯及扭曲。
一般的镜头具有数度或数十度的失真度，不过由于大部分的影像镜头是用在一般监测系统或普通摄影中，些许的影像失真是能被容许的，但此瑕疵让精密影像测量变的困难。

高品质的远心镜头只具有低于0.1%失真度的特性，虽然这个数次听起来很小，但在高分辨率的摄影机下仍能造成将近一个像素的误差。因此许多失真的影像会利用软件做校正：将校正用图样(此图样的精密度必须比)置于镜头下方拍摄，之后利用软件计算影像校正公式，将失真影像做校正。由于影像的失真程度与物体和镜头的距离有极高的关联性，因此必须格外留意物体在被摄影时与镜头的距离。

除了与远心镜头的距离以外，物体和远心镜头之间必须尽量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”，所谓的梯形性失真(或称” Keystone” or thin prism effect”) 是另一个影像测量系统中必须克服的问题，如果拍摄物体没有被放置于中心点，此类的影像通常据非对称性也很难利用软件校正。

为一张使用远心镜头所拍摄的不失真影像；中图为同一个画面但具放射性变形的影像；右图为同一个画面但具有梯形性失真的影像。

 

---

三、视角误差

使用一般光学镜头拍摄非平面物体时，物体的大小会因为距离而改变。因此拍摄管柱形物体时，管柱顶端与底端会成被拍摄成像为同心圆而非同样的双圆。而在远心镜头下，圆柱底端则会与柱顶的圆完全重叠。

为一般镜头下常见的视角误差。右图由远心镜头所拍摄的影像能不会出现此问题。

 

这个现象是因为光束路径的特殊性而造成的，在一般光学镜头下，没有与光轴平行的纵向光束会在感光源件上投射成平行距离，然而只些接收平行光束的远心镜头则不会有同样的问题。

一般镜头通常会将3D物体的立体影像(包括空间距离)转换成2D影像，而远心镜头只会纪录2D平面影像而不受物体的立体距离影响，这个特性在影像量测系统中具有极大的优势。

 

一般镜头会将光束(镜头左边)的纵向距离投射成平行影像，而远心镜头不会有这种情形

---

四、高影像分辨率

影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)将影像的对比清晰度量化。
使用不同分辨率镜头拍摄USAF test pattern的结果：左图高分辨率影像，右图低分辨率影像。

 

很多影像系统是利用多个低画素相机搭配低分辨率的便宜镜头，因而只得到非常模糊的影像。而远心镜头的高分辨率让它能搭配低像素高分辨率的相机而依然得到良好的影像品质。

---

五、锐利的边缘影像

影像拍摄时，背景光线常常会让物体的轮廓变的难以界定(border effects)，主要是因为背景的强光会与物体边缘的阴影重叠，除此之外，当光线自不同角度投射于物体上时，某些光源被物体反射后仍然被镜头所接收(如下图十一所示)，这种光线常常会被误判来自物体背后，造成边缘判定上的误差，因此当物体具有高度立体特性时容易会出现误差。

 

在一般镜头下常见的Border effects能在远心镜头下有明显的改善

这个问题在远心镜头下能被明显的改善，当光圈缩的够小时，只有与光轴平行的光束能通过镜头，因此被物体反射的光线就不会被接收，影像的精准性也就能明显提升。

如果想要更进一步的提升影像的品质，可利用collimated (或称 “telecentric”) 照明设备搭配远心镜头，在这种配备能让相机与光源互相配合，让所有自collimated光源发出的光都能是被镜头所接收的平行光束，让噪声与曝光时间都能大幅的降低。除此之外，边缘定位的问题也因光源的控制而有明显的改善。

Collimated (telecentric)光源设备只提供与光轴接近平行的光束。

---

一、对工业镜头的选择，我们首先必须确定客户需求：

•1、视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：
在选择工业镜头时，会选择比被测物体视野稍大一点的工业镜头，以有利于运动控制。