Óptica na visão artificial

A óptica é uma parte fundamental de todo sistema de visão artificial - e, ao mesmo tempo, uma das causas mais comuns de resultados de inspeção instáveis. Em muitos projetos, a seleção da lente é considerada tarde demais ou tratada como uma tarefa isolada, resultando em qualidade de imagem insuficiente, erros de medição ou iterações desnecessárias no projeto.

O ponto-chave é que a óptica nunca opera isoladamente. Ela deve ser combinada com precisão ao sensor, ao tamanho do pixel, à distância de trabalho e à iluminação.

Se você deseja compreender os fundamentos da visão artificial industrial, comece com nossa introdução ao O que é visão artificial??

Quais tamanhos de sensor estão disponíveis - e por que são importantes?

O tamanho do sensor descreve a área física na qual a imagem é projetada. Na visão artificial industrial, os tamanhos dos sensores são normalmente especificados em polegadas, como 1/3“, 1/2”, 2/3“ ou 1”.

Sensores menores, como 1/3“ e 1/2”, são comumente usados em aplicações compactas e em que o custo é um fator importante. Sensores maiores - como 2/3“ e 1” - são padrão em muitos sistemas de inspeção industrial, pois oferecem um campo de visão mais amplo ou maior nível de detalhes na imagem. Formatos de sensores ainda maiores são utilizados em aplicações de alta resolução.

O tamanho do sensor afeta diretamente o campo de visão. Com a mesma lente, um sensor maior captura uma área maior do objeto. Ao mesmo tempo, a lente deve ser compatível com o tamanho do sensor, já que cada lente é projetada para um círculo de imagem específico. Exceder esse círculo de imagem resulta em vinheta ou áreas de imagem desfocadas.

O tamanho do sensor também está intimamente relacionado à tecnologia da câmera. As diferenças na arquitetura do sensor e no tamanho dos pixels são explicadas com mais detalhes em Tecnologias de Câmera na Visão Artificial.

A escolha da câmera certa está intimamente ligada ao tamanho do sensor. Uma visão geral dos modelos de câmeras e formatos de sensores disponíveis pode ser encontrada em Câmeras Industriais.

O padrão mais amplamente utilizado na visão industrial é a montagem C, que oferece ampla compatibilidade e é normalmente usada com sensores de até aproximadamente 1".

A montagem CS é mecanicamente semelhante, mas possui uma distância focal de flange mais curta. Lentes com montagem CS não podem ser montadas diretamente em câmeras com montagem C, enquanto lentes com montagem C podem, muitas vezes, ser usadas em câmeras com montagem CS por meio de um adaptador.

Para sensores maiores ou aplicações que exigem maior desempenho óptico, os sistemas de montagem F - originalmente desenvolvidos para fotografia - são frequentemente utilizados. Outros tipos de montagem estão disponíveis para aplicações especializadas.

Lentes padrão abrangem uma ampla gama de aplicações e são amplamente utilizadas para tarefas gerais de inspeção. Elas oferecem um excelente equilíbrio entre desempenho e custo.

Lentes macro são projetadas para campos de visão pequenos e alta ampliação. São ideais para inspecionar estruturas pequenas com alto nível de detalhes.

Lentes telecêntricas são projetadas especificamente para aplicações de medição de precisão. Elas minimizam erros de perspectiva e garantem que os objetos apareçam do mesmo tamanho, independentemente das variações de altura.

As aplicações típicas são explicadas em Metrologia Óptica. 

Para tarefas de medição de precisão, explore nossa linha de Lentes Telecêntricas.

Lentes grande-angulares oferecem um amplo campo de visão em distâncias de trabalho curtas, mas podem apresentar maior distorção e, portanto, não são adequadas para todas as aplicações.

Como o tamanho do pixel e a resolução afetam a seleção da lente?

A resolução de um sistema de visão artificial resulta da interação entre a câmera e a lente. O tamanho do pixel descreve as dimensões físicas de um pixel individual do sensor.

Pixels menores permitem maior detalhamento da imagem, mas exigem mais do desempenho óptico. Se a lente não conseguir resolver detalhes suficientes, a resolução teórica da câmera não poderá ser totalmente aproveitada.

Uma regra prática é que uma característica relevante deve ser representada por pelo menos dois a três pixels para permitir uma detecção ou medição confiável.

Por isso, câmeras e lentes devem sempre ser selecionadas em conjunto. Tratá-las de forma independente costuma resultar em sistemas ineficientes ou instáveis.

Qual é o papel da abertura e da profundidade de campo?

A abertura controla a quantidade de luz que chega ao sensor, ao mesmo tempo em que influencia a profundidade de campo.

Uma abertura menor aumenta a profundidade de campo, permitindo que objetos em diferentes alturas permaneçam em foco. No entanto, ela também reduz a quantidade de luz disponível.

Uma abertura maior permite que mais luz chegue ao sensor, mas reduz a profundidade de campo. Isso pode causar problemas quando os objetos não estão posicionados com precisão ou estão em movimento.

Em aplicações industriais, a profundidade de campo costuma ser um fator crítico para se obter resultados de inspeção estáveis e repetíveis.

Por que a distância de trabalho e o projeto mecânico são importantes?

WA distância de trabalho descreve a distância entre o objeto e a lente. Ela influencia o campo de visão, a perspectiva e a integração mecânica.

Uma distância de trabalho maior pode simplificar a integração do sistema, mas frequentemente requer ópticas de alto desempenho. O tamanho da lente e a estabilidade mecânica também devem ser considerados, especialmente em ambientes industriais com vibração, flutuações de temperatura ou espaço de instalação limitado.

Um projeto mecânico robusto é essencial para resultados de inspeção repetíveis.

Qual é o papel do comprimento de onda e da iluminação?

NNem todas as lentes apresentam o mesmo desempenho em todos os comprimentos de onda. Muitas lentes padrão são otimizadas para a luz visível, enquanto aplicações no infravermelho ou ultravioleta exigem ópticas específicas.

Diferentes comprimentos de onda podem causar deslocamentos de foco ou alterações na qualidade da imagem. Portanto, a óptica e a iluminação devem sempre ser consideradas em conjunto durante o projeto do sistema.

Erros comuns na seleção de lentess

MMuitos projetos enfrentam desafios semelhantes. A lente é selecionada após a câmera, em vez de ser escolhida com base na aplicação; o tamanho dos pixels é negligenciado; ou a iluminação só é considerada na fase final do processo de projeto.

A profundidade de campo e os requisitos espectrais também são frequentemente subestimados. Essas questões muitas vezes resultam em reprojetos desnecessários e na redução da estabilidade do sistema a longo prazo.

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A óptica como parte da arquitetura geral de visão

A seleção da óptica correta não é uma tarefa isolada, mas parte integrante do projeto geral do sistema. O sucesso depende da interação entre a câmera, a óptica, a iluminação e o software.

Na prática, a otimização cuidadosa desses componentes tem o maior impacto no desempenho do sistema. Com nossos MORE Services, apoiamos os clientes no projeto e na validação de soluções completas de visão computacional.