機(jī)器視覺(jué)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案里光源鏡頭與平臺(tái)的選型次序
機(jī)器視覺(jué)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案最容易走偏的環(huán)節(jié)是設(shè)備清單的排序。多數(shù)采購(gòu)單先寫相機(jī)型號(hào)，再補(bǔ)鏡頭、光源和支架，實(shí)際調(diào)試時(shí)卻發(fā)現(xiàn)最該先定的是檢測(cè)精度與視野范圍。精度與視野一確定，相機(jī)分辨率、鏡頭焦距、工作距離就能算出來(lái)；反過(guò)來(lái)做，常常出現(xiàn)鏡頭焦距與視野不匹配，只能靠拉遠(yuǎn)支架湊合，標(biāo)定精度也隨之下滑。
一、先定檢測(cè)精度再選相機(jī)與鏡頭
選型的起點(diǎn)是兩個(gè)參數(shù)：被測(cè)特征的最小尺寸，以及允許的測(cè)量誤差。按常用經(jīng)驗(yàn)，相機(jī)單像素對(duì)應(yīng)的物理尺寸宜取最小特征尺寸的三分之一到五分之一，例如要檢測(cè)0.2毫米的劃痕，像元對(duì)應(yīng)的物面尺寸宜控制在0.05毫米上下。再由視野寬度除以該值，得到所需的水平像素?cái)?shù)，據(jù)此選擇200萬(wàn)、500萬(wàn)還是1200萬(wàn)像素的相機(jī)。
鏡頭焦距由工作距離與視野共同決定。若用1/1.8英寸靶面、500萬(wàn)像素相機(jī)，視野需覆蓋120毫米寬，工作距離約300毫米，對(duì)應(yīng)焦距大致在6毫米左右。測(cè)量類任務(wù)建議選低畸變定焦鏡頭，必要時(shí)使用遠(yuǎn)心鏡頭消除透視誤差，代價(jià)是視場(chǎng)較小且價(jià)格較高，因此在實(shí)訓(xùn)室中通常只在一到兩個(gè)高精度工位配置。
二、光源方案與打光角度的影響
同一套相機(jī)與鏡頭，換一種打光方式可能得到完全不同的成像結(jié)果。環(huán)形光適合平面字符與絲印檢測(cè)，低角度條形光能突出劃痕與壓印，背光可得到輪廓清晰的剪影用于尺寸測(cè)量，同軸光則擅長(zhǎng)處理高反光金屬表面。實(shí)訓(xùn)室里若只配一種光源，學(xué)生會(huì)誤以為成像質(zhì)量只取決于相機(jī)參數(shù)，實(shí)際上光源往往才是關(guān)鍵變量。
建議按工位配齊環(huán)形、條形、背光三類光源并配一臺(tái)可編程光源控制器，把亮度、頻閃與觸發(fā)時(shí)序都做成可調(diào)項(xiàng)。做表面缺陷實(shí)訓(xùn)時(shí)，用條形光改變?nèi)肷浣牵梢宰寣W(xué)生親眼看到缺陷對(duì)比度如何變化；測(cè)尺寸時(shí)改用背光，邊緣提取的穩(wěn)定性明顯提高。光源控制器與相機(jī)觸發(fā)信號(hào)同步，也是產(chǎn)線視覺(jué)的基本要求。
三、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與標(biāo)定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)
視覺(jué)實(shí)訓(xùn)離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)，靜止拍照只能覆蓋一半內(nèi)容。實(shí)訓(xùn)臺(tái)可配三軸或四軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，行程不必大，200毫米見(jiàn)方即可，重點(diǎn)是重復(fù)定位精度要優(yōu)于相機(jī)分辨能力。平臺(tái)與相機(jī)聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)景包括連續(xù)抓拍、飛拍與位置補(bǔ)償，這些動(dòng)作在軟件里配置好觸發(fā)延時(shí)，學(xué)生才能理解“拍照時(shí)刻”與“機(jī)械位置”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
標(biāo)定是必做環(huán)節(jié)。用棋盤格標(biāo)定板采集十余張不同姿態(tài)的圖像，求解內(nèi)外參并查看重投影誤差，誤差偏大時(shí)通常指向標(biāo)定板不平整或圖像覆蓋區(qū)域過(guò)窄。手眼標(biāo)定更進(jìn)一步，需要把相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手末端坐標(biāo)系統(tǒng)一，標(biāo)定結(jié)果直接影響抓取定位。實(shí)訓(xùn)室應(yīng)保留標(biāo)定板、光源與平臺(tái)的固定工位，避免每次課重新搭臺(tái)浪費(fèi)時(shí)間。
四、算力配置與產(chǎn)線節(jié)拍的匹配
算力常被當(dāng)成一次性投入，實(shí)際應(yīng)按算法類型分層配置。傳統(tǒng)特征匹配與條碼識(shí)別對(duì)算力要求不高，普通工控機(jī)加獨(dú)立顯卡即可；深度學(xué)習(xí)缺陷分類與分割對(duì)顯存要求較高，建議整機(jī)顯存不低于12吉字節(jié)，并配一塊用于推理加速的顯卡。按10個(gè)工位測(cè)算，若只有兩個(gè)工位做深度學(xué)習(xí)任務(wù)，集中配置兩臺(tái)高配主機(jī)、其余用中等配置更經(jīng)濟(jì)。
接口與協(xié)議也要與產(chǎn)線邏輯對(duì)齊。工業(yè)相機(jī)多用千兆網(wǎng)口或USB3.0，前者傳輸距離長(zhǎng)、可支持PoE供電，適合分散布置；后者布線簡(jiǎn)單，但線纜長(zhǎng)度受限。實(shí)訓(xùn)室應(yīng)配置工業(yè)交換機(jī)并劃分獨(dú)立網(wǎng)段，避免與校園網(wǎng)互相干擾。讓學(xué)生按節(jié)拍計(jì)算單幀處理耗時(shí)的上限，是視覺(jué)課程里少見(jiàn)的、能把算法與產(chǎn)線串起來(lái)的訓(xùn)練。
建好之后不妨留一個(gè)空白工位，不預(yù)裝相機(jī)與鏡頭，只配支架、光源接口和電源。學(xué)期中安排一個(gè)任務(wù)：給定被測(cè)件和精度要求，讓學(xué)生自己完成選型并出具器材清單，再由教師按實(shí)際庫(kù)存比對(duì)。選型能力的訓(xùn)練價(jià)值，往往高于把已有設(shè)備調(diào)通，也更能反映學(xué)生是否真正理解了參數(shù)之間的關(guān)系。
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