精密測(cè)量時(shí)的關(guān)鍵因素與應(yīng)用要點(diǎn)
在機(jī)器視覺測(cè)量領(lǐng)域，精度高低取決于分辨率，而決定測(cè)量高精度與低不確定度的核心要素，是所獲取圖像的分辨率。這里的分辨率（即圖像分辨率），指的是以實(shí)際單位衡量的單個(gè)像素大小。
舉例來說，若一臺(tái)相機(jī)傳感器水平方向含1000個(gè)像素，且通過光學(xué)器件拍攝的圖像覆蓋現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中1英寸寬的區(qū)域，那么單個(gè)像素就代表0.001英寸。需注意，這一指標(biāo)是相機(jī)制造商與分析軟件均無法改變的基礎(chǔ)參數(shù)。
01
像素?cái)?shù)量的合理確定
機(jī)器視覺系統(tǒng)的最小測(cè)量單位為像素。和所有測(cè)量系統(tǒng)相同，要實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、可靠的測(cè)量，測(cè)量?jī)x器的最小測(cè)量單位（按一般經(jīng)驗(yàn)法則）需達(dá)到所需測(cè)量公差帶的十分之一。以之前的例子來講，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)約±0.005英寸的精確測(cè)量（公差帶為0.01英寸，對(duì)應(yīng)十倍儀表單位）。
初次運(yùn)用機(jī)器視覺進(jìn)行測(cè)量的工程師，往往會(huì)嚴(yán)重低估實(shí)現(xiàn)理想測(cè)量精度與不確定度所需的像素?cái)?shù)量。實(shí)際上，可能需要多臺(tái)相機(jī)、專業(yè)相機(jī)（如線掃描成像儀），或是對(duì)單個(gè)部件從多個(gè)視角拍攝，才能達(dá)到指定檢測(cè)公差要求的分辨率。
視覺檢測(cè)的圖像結(jié)果
有時(shí)，可通過數(shù)學(xué)算法在成像系統(tǒng)中挖掘額外分辨率，以實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的特征重復(fù)性報(bào)告，常見方式包括灰度邊緣分析，幾何或相關(guān)搜索，圓形或線條擬合等回歸分析，以及特定場(chǎng)景下的連通性分析。若借助這些工具獲取亞像素結(jié)果，最小測(cè)量單位便能小于單個(gè)像素。但需注意，供應(yīng)商提供的亞像素能力估值僅為參考，且通?；谧罴殉上?、光學(xué)條件與部件呈現(xiàn)狀態(tài)。因此，切勿將任意亞像素期望值作為確定系統(tǒng)測(cè)量功能的關(guān)鍵依據(jù)，而應(yīng)使用實(shí)際零件與圖像測(cè)試系統(tǒng)，通過實(shí)踐確定其亞像素能力。
02
光學(xué)元件的選擇要點(diǎn)
高分辨率光學(xué)成像是光學(xué)與照明共同作用的結(jié)果。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用，唯一用到的光學(xué)元件是透鏡組件，但選擇合適的透鏡對(duì)計(jì)量應(yīng)用至關(guān)重要。除了要向傳感器傳遞符合實(shí)際尺寸的圖像，從計(jì)量角度出發(fā)，透鏡還需盡可能精準(zhǔn)地還原圖像，避免失真。
此外，透鏡也有分辨率指標(biāo)，通常以每毫米或每英寸的線對(duì)（lp/mm、lp/in）來表示，進(jìn)一步還可能提供調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)（MTF）規(guī)格，或更簡(jiǎn)單地標(biāo)注在高線對(duì)密度（高lp/mm）下產(chǎn)生高對(duì)比度的能力。相機(jī)像素?cái)?shù)量越高，這些透鏡指標(biāo)的重要性就越突出。因此，務(wù)必選擇專為機(jī)器視覺應(yīng)用設(shè)計(jì)的高質(zhì)量、高分辨率光學(xué)元件。
遠(yuǎn)心鏡頭的圖像結(jié)果
在諸多測(cè)量場(chǎng)景中，遠(yuǎn)心鏡頭作用顯著。它借助光學(xué)組合，能徹底消除圖像中因視差導(dǎo)致的失真，使幾乎所有圖像都與傳感器保持平行，完整保留圖像平面內(nèi)的平面幾何關(guān)系，讓測(cè)量更直接、準(zhǔn)確。
針對(duì)視場(chǎng)極小（如小于幾毫米）的應(yīng)用，建議選用專為機(jī)器視覺打造的顯微光學(xué)元件和/或高倍率光學(xué)元件，不推薦通過擴(kuò)展器或附加倍率裝置，將標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件的倍率強(qiáng)行提升至更高水平。
03
照明選擇的關(guān)鍵作用
在計(jì)量應(yīng)用中，照明選擇可能起到?jīng)Q定性作用。盡管在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化背光照明的物理部署可能面臨挑戰(zhàn)，但許多計(jì)量場(chǎng)景都能從背光照明中獲益。正面照明則有助于凸顯需識(shí)別以進(jìn)行測(cè)量的特征邊緣，對(duì)于低對(duì)比度特征，可考慮采用低角度或結(jié)構(gòu)化照明。
當(dāng)需測(cè)量極小特征（如分辨率低于0.001毫米）時(shí)，可使用藍(lán)色或紫色等長(zhǎng)波長(zhǎng)顏色光，以提升對(duì)比度。若零件處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即便靜止），建議采用LED頻閃照明，以確保最佳光照強(qiáng)度并延長(zhǎng)燈泡使用壽命。
04
零件特征
在特定照明技術(shù)下，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)可捕捉到的零件特征，往往與零件圖紙標(biāo)注的特征，或通過手動(dòng)測(cè)量?jī)x器測(cè)得的特征存在差異。
例如，測(cè)量直徑小但深度較大的通孔直徑時(shí)，若采用正面照明，僅能測(cè)量到孔的頂部邊緣，若需模擬插入式量規(guī)的測(cè)量效果，這種方式便無法滿足要求；若采用背光照明，由于孔的深度影響，光學(xué)系統(tǒng)難以“平均”捕捉到圖像中整個(gè)孔的特征，更可能聚焦于鉆孔的頂部、底部或中部某一深度處，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不符合預(yù)期。
因此，需謹(jǐn)慎選擇照明、光學(xué)元件與算法，確保測(cè)量的是約定的零件表面。要清楚，在很多情況下，基于上述原因，在線非接觸式機(jī)器視覺測(cè)量無法完全復(fù)刻物理測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果。
進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，被檢測(cè)零件必須能重復(fù)穩(wěn)定地呈現(xiàn)。在離線設(shè)置中，成像、光學(xué)、分辨率與算法或許都十分完美，但在線測(cè)量時(shí)，卻可能出現(xiàn)重復(fù)性差、可靠性低的問題，這通常是零件呈現(xiàn)不穩(wěn)定所致，有時(shí)甚至因零件呈現(xiàn)方式的限制，無法開展特定計(jì)量工作。
以之前提到的小而深的鉆孔為例，當(dāng)孔的表面與透鏡垂直時(shí)，可拍攝到孔深處的清晰圖像，從而實(shí)現(xiàn)成功測(cè)量；但若零件發(fā)生輕微傾斜，孔在圖像中可能明顯呈現(xiàn)為橢圓形，若采用背光照明，甚至可能被完全遮蔽。
對(duì)于非接觸式測(cè)量成像，首先需盡可能消除所有可能導(dǎo)致零件呈現(xiàn)不穩(wěn)定的因素，同時(shí)要明白，在任何情況下，零件呈現(xiàn)方式都會(huì)為測(cè)量結(jié)果帶來一定的附加誤差。因此，在確定和指定分辨率、光學(xué)元件與照明方案時(shí)，必須將這一因素納入考量。
精密測(cè)量時(shí)的關(guān)鍵因素與應(yīng)用要點(diǎn)
09-24-2025
