在OpticStudio中模擬機(jī)器視覺

概要

相比通過人工檢驗(yàn)的方式，機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)確一致的、獨(dú)立自主的定性及定量的分析一個(gè)特定的產(chǎn)品。它的工作原理是通過對一個(gè)或一組產(chǎn)品進(jìn)行成像，并通過算法對圖像進(jìn)行后期處理分析來驗(yàn)證產(chǎn)品是否通過檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（例如驗(yàn)證瓶子的瓶蓋是否密封完好）。這篇文章討論了使用Zemax OpticStudio的非序列模式對機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行了建模，其中本文重點(diǎn)介紹了三個(gè)主要部分：成像系統(tǒng)，照明系統(tǒng)和產(chǎn)品本身。

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介紹

當(dāng)自動化系統(tǒng)中準(zhǔn)確性是很重要的考慮因素時(shí)，在系統(tǒng)中機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)是至關(guān)重要的部分。為了確保準(zhǔn)確性，機(jī)器通常會采用一套成像系統(tǒng)通過視覺形式記錄產(chǎn)品信息。這允許機(jī)器可以判斷每個(gè)產(chǎn)品是否達(dá)到了其預(yù)設(shè)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)需要檢查蘇打水是否灌裝到瓶子的特定位置。這時(shí)使用機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)可以準(zhǔn)確且一致的鑒別產(chǎn)品是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)可以送至下一環(huán)節(jié)，或者檢測不合格需要返修或遺棄。

盡管成像系統(tǒng)通常會對圖像進(jìn)行后期處理，但成像系統(tǒng)質(zhì)量好壞仍然對最終圖像有較大影響。因此，不同的成像系統(tǒng)會有效的服務(wù)于不同功能的機(jī)器視覺系統(tǒng)。影響因素包括照明系統(tǒng)的種類、位置、方向或傳感器性能。

這篇文章描述了如何在非序列模式下對機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模。我們將介紹一種簡單的對機(jī)器視覺系統(tǒng)建模的方法，這個(gè)系統(tǒng)包括：相機(jī)、光源和用于檢驗(yàn)的待測產(chǎn)品。

對系統(tǒng)進(jìn)行建模

1、用近軸透鏡模擬相機(jī)

為了給系統(tǒng)中的相機(jī)進(jìn)行建模，我們使用一個(gè)透鏡和一個(gè)探測器。如果透鏡庫中有合適的透鏡或已經(jīng)掌握透鏡的所有信息，您可以直接從透鏡庫中插入透鏡或直接在非序列物體編輯器中手動輸入。但是如果你并不能得到透鏡的參數(shù)，你可以用近軸透鏡近似模擬相機(jī)的鏡頭。我們使用物體類型近軸透鏡來建模一個(gè)在X和Y方向上焦距均為25mm的鏡頭。需要注意的是，近軸透鏡是沒有任何像差的，并且我們需要通過設(shè)置透鏡的焦距和孔徑來定義透鏡的有效F數(shù)。探測器被放置在透鏡后50mm的地方來模擬相機(jī)的傳感器，這將幫助我們利用探測器來分析待測產(chǎn)品。

2、建模環(huán)形光源

為了將待測產(chǎn)品照亮，Zemax OpticStudio可以考慮不同種的光源類型。在其他技術(shù)文章中我們使用矩形光源組成一個(gè)圓形光源陣列來模擬環(huán)形光源。請參考鏈接：

在這一系統(tǒng)中，經(jīng)過待測產(chǎn)品反射的光線傳播經(jīng)過相機(jī)鏡頭的中心。為了產(chǎn)生任意方向的光線，我們在環(huán)形光源前設(shè)置一個(gè)具有朗伯散射屬性的圓環(huán)，它將對光源光線產(chǎn)生漫反射作用。在矩形光源后插入一個(gè)朗伯散射屬性的物體是一種常用的模擬LED的方法，但如果LED模型是已知的，那么用戶需要檢查Zemax OpticStudio的光源庫Radiant Source Library中是否已經(jīng)提供了該模型，采用光源庫模型的光源分布會更加準(zhǔn)確。如果想了解更多關(guān)于光源庫的信息請閱讀以下鏈接文章：

3、插入CAD物體模擬擬待測產(chǎn)品

Zemax OpticStudio支持多種CAD軟件對待測產(chǎn)品進(jìn)行建模，比如Solidworks，Creo Parametric，Autodesk Inventor及其他CAD格式文件。如果想了解更多關(guān)于在Zemax OpticStudio中使用CAD文件物體的信息，請閱讀以下鏈接文章：

在這個(gè)系統(tǒng)中我們使用在Zemax零件設(shè)計(jì)功能中預(yù)先設(shè)計(jì)好的示例CAD物體做為我們的待測產(chǎn)品。

4、穿過系統(tǒng)的散射光線

我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)收集的是從待測產(chǎn)品上反射的散射光線。所以我們必須先定義好物體的散射屬性。這里我們可以利用下面的物體屬性特點(diǎn)來控制系統(tǒng)中的散射光線：接下來的部分將討論OpticStudio中如何使用鍍膜/散射（Coat/Scatter）功能和重點(diǎn)采樣（Importance Sampling）選項(xiàng)。

除了要定義散射屬性以外，我們還需要設(shè)置重點(diǎn)采樣來提高對待測物體成像的準(zhǔn)確性以及降低所需要使用光線的條數(shù)。這一功能進(jìn)行了光線的篩選，選擇出入射到指定半徑（size）目標(biāo)球且光線到達(dá)列出物體的位置在指定的立體角范圍內(nèi)的光線。需要注意的是重點(diǎn)采樣將只追跡達(dá)到目標(biāo)球的光線而不是所選物體的光線。這意味著有時(shí)我們需要調(diào)整所選擇的目標(biāo)球以避免追跡的光線沒有按照預(yù)想到達(dá)某些物體。對于使用重點(diǎn)采樣功能的深入的例子請參考以下鏈接文章:

在本系統(tǒng)中，我們擁有兩個(gè)具有散射屬性的物體，分別是漫反射物體和CAD物體，我們可以在這兩個(gè)物體上使用重點(diǎn)采樣功能。在漫反射物體中我們設(shè)置只追跡朝向待測物體的光線，在待測產(chǎn)品中我們設(shè)置只追跡朝向相機(jī)的光線。

此處對系統(tǒng)的仿真以及獲取的圖像有助于我們理解實(shí)際檢測系統(tǒng)中物體應(yīng)該擺放的位置并且?guī)椭覀兝斫庀到y(tǒng)的作業(yè)流程。

小結(jié)

在本篇文章中，我們討論了如何建模機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)中的三個(gè)主要部分：

使用近軸透鏡和探測器來模擬相機(jī)

使用CAD物體及Zemax OpticStudio中的散射功能來建模待測物體

使用示例光源陣列和漫反射物體來建模光源

進(jìn)行建模的基本原則是，盡可能多的考慮每一部分的信息，這會使你的系統(tǒng)更加完善。