Prevención de la deformación de la imagen inducida por el calor en las cámaras de escaneo lineal de visión artificial

Es bien sabido por las imágenes astronómicas que diversas condiciones atmosféricas y efectos meteorológicos tienen un impacto en la calidad de la imagen. Esto se debe a cambios locales del índice de refracción del aire en el camino óptico. Estos cambios dependen de la longitud de onda y varían con los cambios en la presión atmosférica y su humedad.

En el campo de la visión artificial, normalmente se puede suponer que tanto la presión como la humedad son constantes en todo el camino óptico. Sin embargo, existe una excepción a esta regla si hay corrientes de aire turbulentas en el camino óptico que pueden causar cambios de presión locales. Una causa típica de las turbulencias es la convección de calor entre piezas a diferentes temperaturas. Las fuentes de calor comunes en la visión artificial pueden ser la iluminación, la electrónica de alta carga o muestras de alta temperatura como el metal vertido.

Influencia en las imágenes

Los diferentes índices de refracción en el aire turbulento actúan como una lente de gradiente que distorsiona el contenido de la imagen en las áreas afectadas. La magnitud y la extensión de la deformación son demasiado complejas y dependen demasiado de la configuración para modelar matemáticamente. En su lugar, mostramos una medida de ejemplo de este efecto para representar su magnitud típica y guiarlo para medirlo en su propia configuración.

En una cámara de exploración lineal, la distorsión óptica es constante para cada línea a lo largo de la dirección de exploración y, por lo tanto, no es visible en la imagen. Este hecho reduce el problema a una dimensión espacial, perpendicular a la dirección de exploración, y la dimensión temporal. Ambas dimensiones se pueden observar a la vez mediante la adquisición de una imagen de un objetivo estático con la cámara de exploración lineal. La distorsión óptica cambiará la posición del contenido de la imagen en la dirección x, mientras que la extensión de la deformación en la dirección y representa la información de tiempo.

Este cambio se puede medir fácilmente al obtener imágenes de un patrón de línea estática. El principio básico de esta medición se muestra en la Figura 1. Se toma un perfil de intensidad de imagen de referencia promediando una región de interés que contiene un área de algunas columnas alrededor de cada posición x (representada en verde). Se pasa un bloque de prueba cuadrado (representado en rojo) a lo largo de toda la columna y, para cada posición, los datos de prueba se desplazan en pasos de subpíxeles mediante interpolación. El cambio con la correlación más alta entre la prueba y la referencia se registra para cada píxel y se puede trazar en una imagen de escala de color para visualizar los datos.

La Figura 2 muestra esta visualización de una imagen de patrón de línea estática capturada con una cámara Chromasens allPIXA con una resolución óptica de 5 μm. La fuente de calor en este caso es la iluminación del tubo de luz Chromasens Corona II que se operó con la corriente LED máxima. En esta configuración, la magnitud de la distorsión óptica está en el rango de <0,15 píxeles. Las turbulencias son visibles en la imagen de desplazamiento como áreas de distorsión similar. Se extienden sobre un tamaño de 10 mm - 30 mm y persisten durante 200 ms - 800 ms.

Esta medida muestra que la magnitud de la perturbación de la imagen debido a la convección de calor de una iluminación estándar no tendrá un impacto notable en las tareas de inspección estándar. Sin embargo, las tareas de procesamiento de imágenes especializadas que dependen de la precisión de subpíxeles (por ejemplo, la extracción de características con precisión de subpíxeles o la correlación de imágenes basada en subpíxeles) probablemente mostrarán una menor precisión de medición debido a estas distorsiones.

Supresión de deformación de imagen

El efecto de deformación de la imagen se puede suprimir evitando las turbulencias. Para este propósito, se puede utilizar un ventilador para crear un flujo de aire laminar. Como la presión en un flujo laminar es constante, no se producirán efectos de lentes de gradiente. El flujo de aire debe cubrir toda la superficie de la fuente de calor o todo el volumen del camino óptico donde es probable que aparezcan turbulencias.

La segunda opción suele ser más fácil de realizar para las cámaras de exploración lineal, ya que la ruta óptica está restringida a un plano. Por lo tanto, el ventilador se puede instalar al costado de la cámara con la dirección del flujo a lo largo de la línea del sensor. En el ejemplo anterior, el aire en el volumen directamente debajo de la rendija de visualización del tubo de luz necesita ser perfundido por un flujo laminar. Como las paredes laterales de la iluminación bloquean un acceso lateral directo para la corriente de aire, el ventilador se instaló en la parte superior del tubo de luz y soplaba en la rendija de visualización en un ángulo inclinado como se muestra en la Figura 3. Este método redujo la magnitud de la distorsión a un tamaño pequeño imperceptible.

Conclusión

Una fuente de calor cerca del camino óptico puede introducir una deformación de la imagen que cambia localmente la posición del contenido de la imagen. Para las cámaras de exploración lineal, existen regiones de imagen de desplazamiento similar que cubren varios mm del campo de visión que emergen y desaparecen en un período de tiempo de aproximadamente un segundo. Este cambio influirá negativamente en el análisis de subpíxeles del contenido de la imagen. Para suprimir este efecto, se recomienda cubrir todo el volumen a lo largo del camino óptico afectado por las turbulencias con una corriente de aire laminar procedente de un ventilador.

Este artículo fue escrito por Timo Eckhard, jefe de equipo, investigación e innovación, innovación y gestión de propiedad intelectual; y Sebastian Georgi, Gerente de Investigación e Innovación, Chromasens GmbH (Constanz, Alemania). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Eckhard en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Es necesario activar Javascript para visualizarla. Sr. Georgi en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo o visite aquí .