Evitando distorção de imagem induzida pelo calor em câmeras de varredura de linha de visão de máquina

É bem conhecido a partir de imagens astronômicas que várias condições atmosféricas e efeitos climáticos têm impacto na qualidade da imagem. Isso se deve a mudanças locais do índice de refração do ar no caminho óptico. Essas mudanças são dependentes do comprimento de onda e variam com as mudanças na pressão atmosférica e sua umidade.

No campo da visão de máquina, a pressão e a umidade geralmente podem ser consideradas constantes ao longo de todo o caminho óptico. No entanto, há uma exceção a esta regra se houver correntes de ar turbulentas no caminho óptico que possam causar alterações de pressão local. Uma causa típica de turbulências é a convecção de calor entre peças em diferentes temperaturas. As fontes de calor comuns na visão de máquina podem ser a iluminação, a eletrônica de alta carga ou amostras de alta temperatura, como metal vazado.

Influência na imagem

Os diferentes índices de refração no ar turbulento atuam como uma lente de gradiente que distorce o conteúdo da imagem nas áreas afetadas. A magnitude e a extensão da deformação são muito complexas e muito dependentes da configuração para modelar matematicamente. Em vez disso, mostramos um exemplo de medição desse efeito para representar sua magnitude típica e para orientá-lo na medição em sua própria configuração.

Em uma câmera de varredura de linha, a distorção óptica é constante para cada linha ao longo da direção de varredura e, portanto, não é visível na imagem. Este fato reduz o problema a uma dimensão espacial – perpendicular à direção da varredura – e à dimensão temporal. Ambas as dimensões podem ser observadas ao mesmo tempo adquirindo uma imagem de um alvo estático com a câmera de varredura de linha. A distorção óptica mudará a posição do conteúdo da imagem na direção x, enquanto a extensão da distorção na direção y representa a informação de tempo.

Essa mudança pode ser facilmente medida pela imagem de um padrão de linha estático. O princípio básico desta medição é mostrado na Figura 1. Um perfil de intensidade de imagem de referência é obtido pela média de uma região de interesse contendo uma área de algumas colunas ao redor de cada posição x (representada em verde). Um bloco de teste quadrado (representado em vermelho) é passado ao longo de toda a coluna e para cada posição os dados de teste são deslocados em etapas de subpixel por meio de interpolação. O deslocamento com a maior correlação entre teste e referência é registrado para cada pixel e pode ser plotado em uma imagem de escala de cores para visualizar os dados.

A Figura 2 mostra esta visualização de uma imagem de padrão de linha estática capturada com uma câmera Chromasens allPIXA com resolução óptica de 5 μm. A fonte de calor neste caso é a iluminação tubular Chromasens Corona II que foi operada na corrente máxima do LED. Nesta configuração, a magnitude da distorção óptica está na faixa de <0,15 pixel. As turbulências são visíveis na imagem de deslocamento como áreas de distorção semelhante. Eles se estendem por um tamanho de 10 mm a 30 mm e persistem por 200 ms a 800 ms.

Esta medição mostra que a magnitude da perturbação da imagem devido à convecção de calor de uma iluminação padrão não terá um impacto perceptível para tarefas de inspeção padrão. No entanto, tarefas especializadas de processamento de imagem que dependem da precisão de subpixel (por exemplo, extração de recursos precisa de subpixel ou correlação de imagem baseada em subpixel) provavelmente mostrarão uma precisão de medição diminuída devido a essas distorções.

Supressão de distorção de imagem

O efeito de distorção da imagem pode ser suprimido evitando as turbulências. Para este propósito, um ventilador pode ser utilizado para criar um fluxo de ar laminar. Como a pressão em um fluxo laminar é constante, nenhum efeito de lente gradiente ocorrerá. O fluxo de ar precisa cobrir toda a superfície da fonte de calor ou todo o volume do caminho óptico onde é provável que apareçam turbulências.

A segunda opção é normalmente mais fácil de realizar para câmeras de varredura de linha, pois o caminho óptico é restrito a um plano. O ventilador pode, portanto, ser instalado na lateral da câmera com a direção do fluxo ao longo da linha do sensor. No exemplo acima, o ar no volume diretamente abaixo da fenda de visualização do tubo de luz precisa ser perfundido por um fluxo laminar. Como as paredes laterais da iluminação bloqueiam um acesso lateral direto para o fluxo de ar, o ventilador foi instalado no topo do tubo e soprando na fenda de visualização em um ângulo inclinado, conforme mostrado na Figura 3. Este método reduziu a magnitude da distorção para um tamanho pequeno indiscernível.

Conclusão

Uma fonte de calor próxima ao caminho óptico pode introduzir distorção na imagem que altera localmente a posição do conteúdo da imagem. Para câmeras de varredura de linha, existem regiões de imagem de deslocamento semelhante que cobrem vários mm do campo de visão que emergem e desaparecem no intervalo de tempo de cerca de um segundo. A análise de subpixel do conteúdo da imagem será influenciada negativamente por essa mudança. Para suprimir este efeito, recomenda-se cobrir todo o volume ao longo do caminho óptico afetado por turbulências com uma corrente de ar laminar de um ventilador.

Este artigo foi escrito por Timo Eckhard, Team Leader, Research &Innovation, Innovation &IP Management; e Sebastian Georgi, Gerente de Pesquisa e Inovação, Chromasens GmbH (Konstanz, Alemanha). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Eckhard em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você deve habilitar o JavaScript para visualizá-lo., Sr. Georgi em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo., ou visite aqui .