工業(yè)視覺檢測——分辨率、精度、重復(fù)精度

隨著工業(yè)4.0時代的到來，越來越多的工廠都在進行自動化改造，用機器代替人工，實現(xiàn)更高效、更智能化的產(chǎn)線化管理。工業(yè)機器視覺檢測是產(chǎn)線自動化過程中必不可少的一部分，目前視覺檢測在汽車行業(yè)（汽車連接器Pin針檢測）、3C電子行業(yè)（手機中框平面度檢測）、太陽能行業(yè)（硅片膠高檢測）、鋰電池行業(yè)電池標簽平整度檢測）和其他行業(yè)的直線度檢測、測厚檢測等應(yīng)用都非常廣泛。

但是對于視覺新手或者涉及視覺領(lǐng)域不深的朋友們，平時在接觸評估機器視覺產(chǎn)品或項目時，容易對視覺相關(guān)的參數(shù)產(chǎn)生困惑。

這里我們就來詳細分析一下這些參數(shù)：分辨率、精度、重復(fù)精度，找到它們之間的關(guān)系，從而能為我們的工作提供有意義的參考。

分辨率（Resolution）

工業(yè)視覺檢測中所說的分辨率就像一把尺子，表示的是量化刻度的細分大小（圖像傳感器上所具有的像素數(shù)量）。

假如有兩個同樣大小的物體，通過同樣的條件成像，不同的分辨率意味著同樣大小的區(qū)域由不同數(shù)量的像素塊組成，如下圖所示：（圖片僅為示意）

對于相同大小的物體,像素值越大，分辨率越高，成像就越清晰。例如：我有一臺200萬像素的相機，像素是1600 pixel * 1200 pixel，意味著我可以把任何拍進相機的圖像分解成長1600寬1200的密集網(wǎng)格，并在每個網(wǎng)格中填入不同的彩色塊（彩色相機）或灰度值塊（黑白相機）。

為了把產(chǎn)品都放入到視野內(nèi)，我們計算分辨率的時候要考慮長邊對應(yīng)，本例中，相機為1600 * 1200像素，假設(shè)拍照的區(qū)域為1600mm  x 1200mm，那么分辨率就是1600mm/1600pixel = 1 mm/pixel。 

精度（Accuracy）

精度，是反映測量結(jié)果與真實值的接近程度的量。一般情況下：

什么是“有效像素個數(shù)”呢？

讓我們繼續(xù)剛才的例子，分辨率是1mm/pixel時，是不是我們的精度就是1600/1600=1mm了呢？這個值如果是做測量，肯定不準確，因為一個像素在大多數(shù)情況下無法代表被測物特征。

如下圖所示，我們用相機拍攝到一條看似“黑白分明”的邊緣，那么這條邊是否就是最真實的邊緣呢？往往把圖像放大并仔細觀察就可以發(fā)現(xiàn)，“邊緣”其實是由一些過渡的像素組成。     

如果光源和結(jié)構(gòu)的比較良好，成像質(zhì)量比較高，成像比較“銳利”，那么“邊緣”就更接近真實邊緣；反之，如果成像不好，受幀率、曝光、增益以及其它因素影響，找到的“邊緣”可能和真實邊緣相差很多個像素。

以下是在機器視覺檢測中，我們對像素和精度之間關(guān)系的兩種常規(guī)評估策略：

A尺寸檢測：最小可測尺寸=10倍分辨率，即：測量精度可達10mm（±5mm）；

B外觀檢測：最小可測尺寸= 4 倍分辨率，即：測量精度可達4mm（±2mm）。

前面我們分別講了分辨率與精度，那么兩個參數(shù)之間有什么聯(lián)系呢？

舉兩個例子：

例1：一把1米的軟尺,有1000個刻度，分辯率1毫米，用標準尺（更高精度的測量設(shè)備）去測量，結(jié)果為：絕對誤差+5毫米,精度+0.5%。如果能把軟尺拉長20毫米，此時絕對誤差+25毫米，精度降為2.5%, 可是尺還是1000個刻度，其分辨率還是1毫米。

例2：兩桿稱來稱實際重1克的物體, 一桿的結(jié)果為1.03克, 另一桿的結(jié)果為0.83333333333333333333333克, 哪個更準呢?

所以，分辯率高是精度高的必要條件，但不是充分條件；分辯率高不等于精度高。

重復(fù)精度（Repeat Precision）

重復(fù)性精度是指相機重復(fù)多次地完成同一變化過程所對應(yīng)測量結(jié)果的最大偏差值。

以向靶子上射箭為例，中心是10環(huán)。在相同條件下，有ABC三個人練習(xí)射擊，射擊結(jié)果如下圖所示：

                                                   A                                 B                              C

看圖可知：  

A的射擊結(jié)果波動很大，但是離10環(huán)相差較近；B的射擊結(jié)果波動很小，但是離10環(huán)相差很大。如果我們把這兩人分別看作兩種視覺系統(tǒng)，那么A的精度相對較高，但是重復(fù)精度差；B的精度差，但是重復(fù)精度高。

而最好的結(jié)果則是C，就是重復(fù)精度高、精度也高，但是大部分時候我們無法得到C那樣的結(jié)果。那么如果相同的條件下，只能得到A或B這樣的結(jié)果，我們應(yīng)該怎么去取舍呢？

對于射手B的結(jié)果而言，如果我們把最終的射擊區(qū)域整體向左上角移動，當區(qū)域中心移動到靶心位置時，B的結(jié)果就會非常接近C。

類似的情形是，戰(zhàn)爭時期優(yōu)秀的炮手在第一發(fā)炮彈射擊后，會依據(jù)彈著點的實際偏離情況（固定差值）和自身經(jīng)驗（重復(fù)精度）對彈道做一個固定值的補償修正計算，在接下來的射擊中能確保大多數(shù)炮彈擊中預(yù)定

那么在視覺檢測中，可能因為材質(zhì)或機構(gòu)安裝導(dǎo)致一些相對固定的數(shù)據(jù)差異，我們可以通過對含有準確數(shù)據(jù)的標準品（如：經(jīng)過三次元測量的產(chǎn)品）進行檢測，對檢測結(jié)果中的固定差異進行補償，來讓“射擊區(qū)域”轉(zhuǎn)移到靶心的位置。

而對于射手A的結(jié)果，無論如何調(diào)整靶心位置，都無法從根本上解決因重復(fù)精度太差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。

由此可見，對于工業(yè)視覺檢測而言，重復(fù)精度更為重要。