在Zemax OpticStudio中模拟机器视觉

在OpticStudio中模拟机器视觉

概要

相比通过人工检验的方式，机器视觉检验系统可以更加准确一致的、独立自主的定性及定量的分析一个特定的产品。它的工作原理是通过对一个或一组产品进行成像，并通过算法对图像进行后期处理分析来验证产品是否通过检验标准（例如验证瓶子的瓶盖是否密封完好）。这篇文章讨论了使用Zemax OpticStudio的非序列模式对机器视觉系统进行了建模，其中本文重点介绍了三个主要部分：成像系统，照明系统和产品本身。

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介绍

当自动化系统中准确性是很重要的考虑因素时，在系统中机器视觉检查系统是至关重要的部分。为了确保准确性，机器通常会采用一套成像系统通过视觉形式记录产品信息。这允许机器可以判断每个产品是否达到了其预设的生产标准。举例来说，假设一个系统需要检查苏打水是否灌装到瓶子的特定位置。这时使用机器视觉检查系统可以准确且一致的鉴别产品是否达到标准可以送至下一环节，或者检测不合格需要返修或遗弃。

尽管成像系统通常会对图像进行后期处理，但成像系统质量好坏仍然对最终图像有较大影响。因此，不同的成像系统会有效的服务于不同功能的机器视觉系统。影响因素包括照明系统的种类、位置、方向或传感器性能。

这篇文章描述了如何在非序列模式下对机器视觉检验系统进行建模。我们将介绍一种简单的对机器视觉系统建模的方法，这个系统包括：相机、光源和用于检验的待测产品。

对系统进行建模

1、用近轴透镜模拟相机

为了给系统中的相机进行建模，我们使用一个透镜和一个探测器。如果透镜库中有合适的透镜或已经掌握透镜的所有信息，您可以直接从透镜库中插入透镜或直接在非序列物体编辑器中手动输入。但是如果你并不能得到透镜的参数，你可以用近轴透镜近似模拟相机的镜头。我们使用物体类型近轴透镜来建模一个在X和Y方向上焦距均为25mm的镜头。需要注意的是，近轴透镜是没有任何像差的，并且我们需要通过设置透镜的焦距和孔径来定义透镜的有效F数。探测器被放置在透镜后50mm的地方来模拟相机的传感器，这将帮助我们利用探测器来分析待测产品。

2、建模环形光源

为了将待测产品照亮，Zemax OpticStudio可以考虑不同种的光源类型。在其他技术文章中我们使用矩形光源组成一个圆形光源阵列来模拟环形光源。请参考链接：

在这一系统中，经过待测产品反射的光线传播经过相机镜头的中心。为了产生任意方向的光线，我们在环形光源前设置一个具有朗伯散射属性的圆环，它将对光源光线产生漫反射作用。在矩形光源后插入一个朗伯散射属性的物体是一种常用的模拟LED的方法，但如果LED模型是已知的，那么用户需要检查Zemax OpticStudio的光源库Radiant Source Library中是否已经提供了该模型，采用光源库模型的光源分布会更加准确。如果想了解更多关于光源库的信息请阅读以下链接文章：

3、插入CAD物体模拟拟待测产品

Zemax OpticStudio支持多种CAD软件对待测产品进行建模，比如Solidworks，Creo Parametric，Autodesk Inventor及其他CAD格式文件。如果想了解更多关于在Zemax OpticStudio中使用CAD文件物体的信息，请阅读以下链接文章：

在这个系统中我们使用在Zemax零件设计功能中预先设计好的示例CAD物体做为我们的待测产品。

4、穿过系统的散射光线

我们设计的系统收集的是从待测产品上反射的散射光线。所以我们必须先定义好物体的散射属性。这里我们可以利用下面的物体属性特点来控制系统中的散射光线：接下来的部分将讨论OpticStudio中如何使用镀膜/散射（Coat/Scatter）功能和重点采样（Importance Sampling）选项。

除了要定义散射属性以外，我们还需要设置重点采样来提高对待测物体成像的准确性以及降低所需要使用光线的条数。这一功能进行了光线的筛选，选择出入射到指定半径（size）目标球且光线到达列出物体的位置在指定的立体角范围内的光线。需要注意的是重点采样将只追迹达到目标球的光线而不是所选物体的光线。这意味着有时我们需要调整所选择的目标球以避免追迹的光线没有按照预想到达某些物体。对于使用重点采样功能的深入的例子请参考以下链接文章:

在本系统中，我们拥有两个具有散射属性的物体，分别是漫反射物体和CAD物体，我们可以在这两个物体上使用重点采样功能。在漫反射物体中我们设置只追迹朝向待测物体的光线，在待测产品中我们设置只追迹朝向相机的光线。

此处对系统的仿真以及获取的图像有助于我们理解实际检测系统中物体应该摆放的位置并且帮助我们理解系统的作业流程。

小结

在本篇文章中，我们讨论了如何建模机器视觉检验系统中的三个主要部分：

使用近轴透镜和探测器来模拟相机

使用CAD物体及Zemax OpticStudio中的散射功能来建模待测物体

使用示例光源阵列和漫反射物体来建模光源

进行建模的基本原则是，尽可能多的考虑每一部分的信息，这会使你的系统更加完善。