Prevención de deformación de imagen por calor en cámaras de visión artificial de escaneo lineal

Es bien sabido en imagen astronómica que diversas condiciones atmosféricas y efectos meteorológicos afectan la calidad de imagen. Esto se debe a cambios locales en el índice de refracción del aire en la trayectoria óptica. Estos cambios dependen de la longitud de onda y varían con cambios en la presión atmosférica y su humedad.

En visión artificial, tanto la presión como la humedad suelen asumirse constantes en toda la trayectoria óptica. Sin embargo, hay una excepción si hay corrientes de aire turbulentas en la trayectoria óptica que causan cambios locales de presión. Una causa típica de turbulencias es la convección de calor entre partes a diferentes temperaturas. Fuentes de calor comunes en visión artificial pueden ser la iluminación, electrónica de alta carga o muestras a alta temperatura como metal fundido.

Influencia en la imagen

Los diferentes índices de refracción en el aire turbulento actúan como una lente de gradiente que deforma el contenido de imagen en áreas afectadas. La magnitud y extensión de la deformación es demasiado compleja y dependiente de la configuración para modelarse matemáticamente. En su lugar, mostramos una medición de ejemplo para representar su magnitud típica y guiar su medición en su propia configuración.

En una cámara de escaneo lineal, la distorsión óptica es constante para cada línea a lo largo de la dirección de escaneo y por tanto no es visible en la imagen. Esto reduce el problema a una dimensión espacial —perpendicular a la dirección de escaneo— y la dimensión temporal. Ambas pueden observarse a la vez adquiriendo una imagen de un objetivo estático con la cámara de escaneo lineal. La distorsión óptica desplazará la posición del contenido de imagen en dirección x mientras que la extensión de la deformación en dirección y representa la información temporal.

Medición del desplazamiento

Este desplazamiento puede medirse fácilmente capturando un patrón de líneas estático. El principio básico se muestra en la Figura 1. Un perfil de intensidad de referencia se toma promediando una región de interés con un área de unas pocas columnas alrededor de cada posición x (en verde). Un bloque de prueba cuadrado (en rojo) se desplaza a lo largo de toda la columna y para cada posición los datos de prueba se desplazan en pasos subpíxel mediante interpolación. El desplazamiento con mayor correlación entre prueba y referencia se registra para cada píxel y puede representarse en una imagen de escala de color para visualizar los datos.

La Figura 2 muestra esta visualización desde una imagen de patrón de línea estático capturada con una cámara Chromasens allPIXA de 5 μm de resolución óptica. La fuente de calor es la iluminación Chromasens Corona II operada a corriente LED máxima. En esta configuración, la magnitud de la distorsión óptica está en el rango de <0.15 píxel. Las turbulencias son visibles en la imagen de desplazamiento como áreas de distorsión similar. Se extienden sobre 10-30 mm y persisten 200-800 ms.

Supresión de la deformación de imagen

El efecto de deformación puede suprimirse evitando las turbulencias. Para ello, puede usarse un ventilador para crear un flujo de aire laminar. Al ser la presión constante en un flujo laminar, no ocurrirán efectos de lente de gradiente. El flujo de aire debe cubrir toda la superficie de la fuente de calor o todo el volumen de la trayectoria óptica donde es probable que aparezcan turbulencias.

La segunda opción suele ser más fácil para cámaras de escaneo lineal, ya que la trayectoria óptica está confinada a un plano. El ventilador puede instalarse al lado de la cámara con dirección de flujo a lo largo de la línea del sensor. En el ejemplo, el aire en el volumen directamente debajo de la rendija de visión del tubo de luz debe ser perfundido por un flujo laminar. Como las paredes laterales de la iluminación bloquean el acceso lateral directo para la corriente de aire, el ventilador se instaló encima del tubo de luz soplando hacia la rendija de visión en ángulo inclinado como muestra la Figura 3. Este método redujo la magnitud de la distorsión a un tamaño indiscerniblemente pequeño.

Conclusión

Una fuente de calor cerca de la trayectoria óptica puede introducir deformación de imagen que desplaza localmente la posición del contenido. En cámaras de escaneo lineal, existen regiones de imagen con desplazamiento similar que cubren varios mm del campo de visión y que surgen y desaparecen en ~1 segundo. El análisis subpíxel de contenido de imagen se verá afectado negativamente por este desplazamiento. Para suprimir este efecto, se recomienda cubrir todo el volumen a lo largo de la trayectoria óptica afectado por turbulencias con una corriente de aire laminar de un ventilador.

Este artículo fue escrito por Timo Eckhard, Líder de Equipo, Investigación e Innovación, Gestión de Innovación e IP; y Sebastian Georgi, Gerente de Investigación e Innovación, Chromasens GmbH (Constanza, Alemania). Para más información, contacte al Sr. Eckhard en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., al Sr. Georgi en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., o visite aquí.