Jaké objektivy vybrat pro strojové vidění a proč

Při výběru se určitě poraďte s odborníkem specializovaným právě na objektivy, respektive s jejich kvalifikovaným prodejcem. Základním typem objektivu je objektiv endocentrický. Jde o standardní objektiv, který se chová jako lidské oko. Objekty, které jsou blíže objektivu, se na snímaném obrazu tudíž zdají větší než ty, které jsou od objektivu dále. Takovéto objektivy proto bývají pro měřicí úlohy strojového vidění většinou nevhodné, protože zkreslují rozměry předmětu podle jeho polohy vůči kameře.

Naopak hojně používaným typem ve strojovém vidění je telecentrický objektiv. Ten nám oproti lidskému oku nebo endocentrickému objektivu zaručí vždy stejnou velikost objektu. Jinými slovy, pokud se objekt nachází v oblasti hloubky ostrosti objektivu (objekt vidíme ostře), má vždy stejnou velikost.

Telecentrický objektiv je složená čočka, která má svou vstupní nebo výstupní pupilu nastavenou na nekonečno. V případě, že jde o vstupní pupilu, vytváří se pravoúhlý obraz předmětu. To znamená, že hlavní paprsky – šikmé paprsky, které procházejí středem aperturní clony – jsou rovnoběžné s optickou osou před nebo za systémem. Tyto objektivy kromě zmíněné vždy stejné velikosti objektu zaručují také zanedbatelnou deformaci obrazu ve směru od středu ke krajům. Rovněž se vyhneme zkreslení danému perspektivou. Proto jsou telecentrické objektivy vhodné právě pro velmi přesné měření nutné ve strojovém vidění.

Zmíněnou čočkou, respektive clonkou umístěnou v jejím ohnisku, projdou pouze rovnoběžné paprsky. Výsledná ztráta perspektivy obrazu a takzvaná paralelní projekce mají však i své nevýhody. Clonka zajišťující telecentricitu má jako vedlejší efekt značný úbytek světelnosti. Inspektovaný předmět je proto nutné dostatečně nasvítit. Důležité také je, že tento inspektovaný předmět musí být vždy menší než průměr objektivu. Například pokud chceme měřit rozměry čtvercové součástky o rozměrech 50 x 50 mm, musíme mít průměr optiky větší, než je tato součástka. Je tedy nutno použít minimálně optiku s rozměrem 72 mm nebo větší, aby bylo vidět opravdu celý předmět – diagonálně má 71 mm.

Dalším typem velmi vhodným pro strojové vidění je bi-telecentrický objektiv, který má na nekonečno nastaveny obě pupily objektivu: vstupní i výstupní. I ten se podobně jako telecentrický objektiv používá pro přesná měření, má však několik výhod. Díky faktu, že paprsky jsou rovnoběžné na obou stranách objektivu (u objektivu telecentrického může docházet k odklonu paprsků), má bi-telecentrický objektiv mnohem konstantnější výsledný obraz. Další velkou výhodou je vyšší kontrast výsledného obrazu.

Tyto výhody se při konkrétní aplikaci ve strojovém vidění projevují zejména kvalitnějším vstupním obrazem – vyšší kontrast znamená, že lze snadněji rozeznat hrany předmětů, což se projeví zejména při použití předního osvětlovacího prvku osvětlujícího předmět směrem od objektivu (např. kruhový osvětlovač kolem objektivu). Konstantnější výsledný obraz pak znamená mnohem menší odchylky při měření. Při opakovaném měření totožného předmětu tak nebude docházet k rozdílným výsledkům.

Abychom uvedli příklad z praxe, bi-telecentrický objektiv byl společností Kinalisoft použit například v přístroji určeném ke kontrole při výrobě délkových měřidel (skládacích metrů). Bylo zde nutné kompenzovat fakt, že metr byl na kontrolu zakládán manuálně, a tak byl ustavován směrem ke kameře vždy s drobnou odchylkou. Záleželo pokaždé na tom, jak dobře se ho obsluze podařilo umístit na pozici inspekce. Proto se zde výborně hodila právě výše zmíněná stálá velikost předmětu bez ohledu na vzdálenost od kamery. Vysoká přesnost použitého bi-telecentrickeho objektivu Vico byla nutná i proto, že zmíněný přístroj sloužil jako ověřující zařízení pro kvalitu měřidel III. třídy přesnosti, a jako takový podléhal schvalování a kontrole Českého metrologického institutu. Vysoká přesnost a spolehlivost tohoto systému proto byla nutností a k tomu významně napomohlo právě využití bi-telecentrického objektivu.

Dokonalou souhru s objektivem musí tvořit i vhodně vybrané nasvícení. Zde existuje základní dělení na přední (např. kruhový osvětlovač kolem objektivu) a zadní nasvícení. Při potřebě předního nasvícení nabízejí někteří výrobci takzvané objektivy s koaxiálním osvětlením, které – za využití soustavy zrcadel – umožňují nasvítit předmět přímo „z objektivu“. Toto nasvícení je velmi vhodné pro inspekci kvality povrchu předmětu (kontrolu přítomnosti škrábanců). Při potřebě měřit předmět hraje důležitou úlohu takzvané zadní světlo. Je to typ nasvícení předmětu, kdy se osvětlovač nastaví přímo proti objektivu a měřený předmět se umístí mezi něj a objektiv. Pokud se pro osvětlení zvolí telecentrický osvětlovač, pak taková soustava vykazuje výborné výsledky v přesnosti měření. Měřenému předmětu se zvýrazní hrany, navíc nevadí, když je tento předmět průhledný nebo lesklý. Efekt telecentricity způsobí, že se předmět stane neprůhledným. Ve strojírenství se zadní světlo využívá například při měření opotřebení obráběcích nástrojů.

Pokud chceme například měřit kulatý předmět na průměr, šlo by to bez telecentrického zadního světla dosti obtížně. Výsledkem by kvůli obtékání světla byly rozostřené hrany předmětu. Telecentrické světlo oproti tomu emituje pouze přímé světlo, a tak hrany neobtéká. Směřuje přímo do objektivu, a jakmile má v cestě překážku, tak se zastaví, ať je překážka kulatá, nebo ne. Výsledkem jsou pěkně viditelné kontury a přesné měření.

Charakteristiky a výhody hlavních typů objektivů jsme tedy již popsali. Nyní se však ještě zaměřme na to, jak přesně postupovat při výběru jednoho konkrétního objektivu pro vaše zadání, které potřebujete vyřešit.

Nejprve je třeba si stanovit, s jakou přesností potřebujete daný předmět měřit. U telecentrických objektivů stačí zvolit soustavu s rozlišením odpovídajícím vašim představám přesnosti. U běžných objektivů bychom volili většinou hodnotu 2 pixely nad požadovanou přesností. Například pokud máme měřit s přesností 0,05 mm, tak u telecentrického objektivu stačí, aby pixel kamery odpovídal této hodnotě, u běžných objektivů by měl odpovídat hodnotě 0,025 mm.

Dále si určíme zorné pole, které potřebujeme kamerou vidět. Při počítání zorného pole vezměte v potaz nejen rozměry kontrolovaného předmětu, ale i určitý výsek okolí, který umožní kompenzovat chyby v přesnosti nájezdu předmětu před kameru. Typicky půjde o 1–2 mm z každé strany. Také je zapotřebí zjistit, jakou hloubku ostrosti potřebujeme. Určíme to pomocí údaje, jak je inspektovaný předmět hluboký ve směru osy od kamery.

Důležitá pro výběr konkrétního objektivu je samozřejmě i použitá kamera. Podstatný údaj, který nás u kamery zajímá, je velikost senzoru. Určuje, jaké objektivy můžeme pro kameru zvolit. Zde se často chybuje a je skutečně důležité, aby velikost senzoru kamery a vybraného objektivu odpovídala. Dále nás zajímá rozlišení. Vyšší rozlišení umožní interpretovat celkové zorné pole pomocí více pixelů. Obecně platí, že u aplikací využívajících telecentrické objektivy lze deklarovat 2- až 3krát vyšší přesnost, než vychází z poměru mm zorného pole na pixel. U pohybujících se předmětů dejte pozor na způsob snímání obrazu – zde by kamera vždy měla být vybavena global shutterem.

Na základě všech těchto faktorů pak vybíráme nejvhodnější objektiv. Je zapotřebí vybrat objektivy, které svým zvětšením umožní pro vybraný čip kamery snímat celé požadované zorné pole (viz speciální kalkulačky na webu některých prodejců objektivů). Z výsledného seznamu objektivů pak vyberte takové, které mají dostatečnou hloubku ostrosti pro příslušný předmět.

V případě, že nenajdete přesně takový model, který potřebujete, hledejte alespoň model s potřebnou hloubkou ostrosti. Takový model pak ovšem může mít větší zorné pole, než skutečně potřebujete. To má negativní dopad na přesnost měření (rozměr, který je snímán jedním pixelem kamery), proto musíte ověřit, že nepřekračujete limity požadované přesnosti v rámci vašeho projektu.

Jak vyplynulo z celého textu, výběr správného objektivu je obzvláště u úloh přesného měření klíčový a nevyplatí se jej podcenit. Pokud se však budete držet všech výše uvedených rad, neměli byste s tím mít vážnější problém.

Kinalisoft a Prumysloveobjektivy.cz

Radek Štourač

radek.stourac@prumysloveobjektivy.cz