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不放過任何細節——堡盟工業相機:優化“陰影恢復形狀”應用

  2019年08月30日  

  “陰影恢復形狀”(Shape-from-Shading)3D技術可用于幾乎任何行業的自動化質量控制。通過分析光強的分散程度,該技術甚至能識別物體表面最微小的不規則缺陷,例如裂紋或劃痕等等。堡盟高性能工業相機內置光源控制器,是用于簡化系統設計和快速實施檢測任務的重要工具。

  3D技術在自動化領域無處不在,目前被廣泛用于質量保證、物流和測量等諸多應用。不同應用所使用的3D技術也不盡相同。例如,立體成像法要求使用兩臺相機,并且僅適用于靜止物體,因此其應用速度較慢;三角測量技術或投影法的原理是基于運動——投射的測量點在物體表面移動,或者物體在測量點下方移動;飛行時間法只需采用一臺相機,且同時適用于靜止和運動的物體;“陰影恢復形狀”3D技術通過不同方向的光源照射物體來測量傾角和曲率,無論靜止還是運動的物體,都非常適合。橫向分辨率(x,y方向)取決于所使用的相機,因此該值可能會很高。這種分辨率組合使用靈活、廣泛。

原理與日晷相反

  從概念上講,陰影恢復形狀技術的原理非常簡單,可將其視作反向的日晷。日晷的原理是根據高度一定的晷針投下的陰影長度確定太陽的高度和方向,并以此測定時間——高科技日晷甚至能測量全天的時間。作為一種3D技術,陰影恢復形狀技術通過在特定方位的光源投下的陰影的長度來測量高度。若要獲取表面梯度的完整信息,至少需要三個(通常為四個)不同方向的光源。梯度用于確定高度值z(x,y)。在大多數應用中,相機按順序觸發光源,同時采集圖像序列,隨后用軟件進行分析。由于曝光時間極短,在測量運動物體時可最大限度降低圖像的模糊程度。此外,光照方向也可用顏色進行編碼,同時一臺三芯片相機只需一次拍攝就能采集一組圖像。陰影恢復形狀技術不建議用于彩色相機,因為Bayer濾光片會帶來很大的色彩串擾。

快速識別不規則幾何缺陷

  近年來,陰影恢復形狀技術尤其受到在線表面檢測和分揀應用的青睞。其中一個原因是,通過分析從每個光照方向采集到的灰度圖像,可消除表面反射率差異帶來的影響。因此,陰影恢復形狀技術能夠簡單快速地將不規則幾何缺陷與因顏色、反光或紋理造成的不規則缺陷區分開,而其它區分方法要復雜得多。陰影恢復形狀技術被廣泛用于包裝行業,例如:在印有盲文(即凸字)的包裝盒上,利用該技術可檢測盲文印刷是否正確和準確。

陰影恢復形狀竟如此簡單

  理想情況下,相機會按順序觸發光源的四個分區,每次觸發采集一張灰度圖像,然后將圖像傳輸至分析單元。堡盟CX系列的CX.I相機目前搭配四個可單獨觸發的電源輸出。相機內置兼容GenICam的定序器,電源輸出最高48V/2.5A,因此直接通過相機便能觸發光源裝置和圖像采集,無需使用外部光源控制器,也無需額外布線,從而降低成本。不過,高動態檢測應用不僅要求相機具備高幀率,同時還要保證極短的曝光時間。堡盟CX.I相機在Burst模式下能夠以極高的幀率采集圖像,并根據可用帶寬以較低的幀率傳輸至分析單元。相機內置索尼傳感器,可提供高動態范圍圖像,即便對于光亮金屬表面也能確保穩定的圖像分析。此外,該系列相機曝光時間低至1 μs,可大幅降低圖像的模糊程度,從而實現高速檢測。

節約成本和時間

  堡盟CX.I相機的功能強大,相機內置光源控制器,帶四個可單獨觸發的電源輸出,可減少陰影恢復形狀應用所需元件的數量,從而節省材料和集成成本。此外,該系列相機還能簡化系統結構、提高檢測可靠性并加快設置速度。

  圖1:在陰影恢復形狀應用中,被測物體依次接受四個不同方向的光源照射,每次照射采集一張灰度圖像。通過對采集到的表面陰影圖像進行分析,便能得到物體表面的質量信息。

  圖2:即便是反光、光亮或彩色物體,也能可靠地檢測表面結構和形狀中最微小的不規則缺陷。

  圖3:堡盟CX.I相機配有4路帶脈寬調制功能的光耦輸出,輸出功率高達120W(最大48V / 2.5A),因此可直接控制外部光源裝置。

  圖4:定序器時序圖舉例:直接通過相機(如VCXG-13M.I)觸發四分區光源裝置(Output 1-4),無需采用外部光源控制器。

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