使用技巧

自動對焦

uEye LE USB 3.1 Gen 1 AF 自動對焦板級相機

對比式自動對焦功能讓uEye LE AF 板級相機的應用範圍更加彈性。透過軟件來控制相機所搭載的液態鏡頭的焦距來達到自動對焦。相機能夠根據不同的應用配置需求來調整合焦距確保影像的清晰。

透過更新uEye相機4.92版軟件就能將LE AF板級相機手動對焦升級成自動對焦功能。如此一來相機可以使用在物體大小,距離會隨時變化的應用場景。ROI功能可以調整影像讀出的區域位置以及大小,以及多種影像銳利度測量以及功能參數配置的選項可以確保在各種情況下快速並且可靠的確定定焦範圍內可達到的最高圖像清晰度。

"uEye LE USB 3.1 Gen 1 AF" 自動對焦的使用方式已經更新到 IDS software suite 4.92 manual。所有的uEye cockpit 的對焦对话框的所有配置选项也可以使用uEye API函数 is_Focus()應用到您自己的应用程序中使用。使用手冊包含了所有介面接口參數和代碼範例詳細的功能說明

使用技巧提供您如何預先設置自動對焦功能的使用小技巧。

uEye Cockpit 焦段對話框
uEye Cockpit 焦段對話框

自動對焦

自動對焦的功能是能夠根據距離被寫物體的距離自動調整鏡頭焦距以保持影像清晰。uEye LE AF 板級相機的自動對焦系統是採用液態鏡頭來調整焦距在不同的距離都能夠清楚聚焦。 自動對焦模式是透過軟體來啟動,只有在需要對焦的區域中找到最大銳利數值時才會有作用。然後會停止自動對焦的動作(“單次自動對焦”) 這是靠透過電腦主機上的圖像數據分析後來控制相機的液態鏡頭。 

計算出最高銳利度數職的控制循環
計算出最高銳利度數職的控制循環

利用這種所謂的“閉環自動聚焦”,液體透鏡和像素路徑的設置(對比度,合併等)對圖像內容具有直接影響,因此對圖像的清晰度測量結果具有直接影響。該評估又形成在獲取下一圖像之前調節液體透鏡的根據。由於無法使用這種基於圖像的方法計算最佳聚焦值,因此必須首先通過包括圖像採集,多次測量和焦距調整的閉合控制迴路。首先,根據焦點值和計算的圖像清晰度確定的值對的分析提供了用於確定相關焦點場中的最佳可能(最大)圖像清晰度的指示。

什麼時候是影像最佳聚焦的時間點?

有不同的方法來測量圖像清晰度,而且只基於兩個基本原理。第一個原理是邊緣清晰度。在實際圖像內容中搜索相鄰像素之間的大灰度值跳躍,允許突出顯示邊緣或輪廓。這些邊緣輪廓的對比度則用來決定圖像的銳利度。邊緣圖像越清晰,原始圖像的清晰度越高。

第二個原理是基於圖像直方圖值的分析。標準偏差可用於計算圍繞圖像的平均灰度值的像素值的變化的度量。方差越大,現有的灰度值邊緣和圖像的對比度越高。 如果圖像變得不聚焦,則先前大的灰度值跳躍(邊緣)呈現斜坡形式的梯度。 差異以及圖像的對比度降低。簡單來說:圖像越清晰,灰度擴散越高,因此圖像中的對比度越高。 

  圖像 突出顯示的邊緣 ROI的直方圖
對焦的圖像
失焦的圖像

更強的邊緣和更大的標準偏差表示更高的對比度和聚焦水平。

測量影像的銳利度

然而,在實踐中,物體表面很少是光學焦點測量的理想選擇。這通常會導致不可靠,不穩定的測量結果。但是,uEye軟件的自動對焦功能可為不同的圖像情況提供不同的測量方法。 

焦點算法“平均分數”和“Tenengrad”自動分析圖像數據並使用邊緣清晰度原理。為此,他們逐像素地分析,包括與直接相鄰像素的關係。“平均分數”使用更簡單的像素計算和比“Tenengrad”更小的鄰域,這使得它比“Tenengrad”算法更快但更敏感。

“直方圖偏差”使用感興趣區域(ROI)的直方圖值來確定圖像清晰度。這種整體方式為算法提供了一個過濾的特性。銳度限制在測量值窗口中顯示為清晰曲線。噪音對結果的影響很小。然而,如果在搜索到的焦點區域中存在幾個近焦點最大值,則這些不能通過直方圖偏差清楚地區分。像低通一樣,算法將最大值“平滑”為覆蓋曲線。 “Tenengrad”和“平均得分”的鄰近較小像素的分析對灰度值變化有更明顯的影響。邊緣變得更清晰可見。兩種算法都顯示出明顯可區分的個體最大值,但也會受到噪聲等乾擾的影響。

“Tenengrad”和“直方圖偏差”的銳度值的比較。
“Tenengrad”和“直方圖偏差”的銳度值的比較。

由於不同的計算原理,三種算法在每個圖像的銳度值的計算時間方面也不同。例如,Sobel和Laplace濾波器等複雜像素變換比平均灰度值的簡單標準偏差計算造成電腦更多運算負荷。對較大圖像區域(感興趣的大區域)的分析會造成快速降低所獲取的相機幀速率。根據場景和應用程序的要求,您可以通過選擇可用的算法來影響測量的速度和準確性。 計算方法“平均分數”和“直方圖偏差”更適合於一般規格PC的計算。另一方面,Tenengrad計算效率 則是會犧牲掉幀率為代價,來達到更大的測量窗口。

設置感興趣的區域和焦點範圍

銳度測量通常在感興趣的區域中執行(這裡稱為“測量窗口”)。這樣可以提高計算時間。

越大的測量區域會佔據更多電腦的運算資源來計算每張圖片的銳利度。如果計算時間(每張圖像)太長,設定的幀速率會降低!要實現快速幀速率,請選擇盡可能小的測量窗口。

針對需要量測的內容設定測量窗口的位置和大小,使用一個對焦平面,達到最好的焦點。然而,如果在指定的搜索範圍內存在多個局部銳度最大值,並且您正在使用具有終止條件的峰值搜索算法,則此算法會在檢測到第一個清除最大值時提前終止搜索。

測量的視窗以及對焦範圍可以有數個最高對焦的值。
測量的視窗以及對焦範圍可以有數個最高對焦的值。

要更精確地指定搜索“正確”焦點級別,您有以下選項:

1. 限制鏡頭的聚焦範圍

將焦點測量限制為僅適用於您的應用所需鏡頭的焦距範圍。根據鏡頭與圖像場​​景之間的距離以及所用鏡頭的景深,小面積就足夠了。
這樣可以降低搜索時間,因為不需要太多的銳度計算。

限制鏡頭的聚焦範圍
限制鏡頭的聚焦範圍

如果您不確定在何處設置聚焦範圍,我們建議使用較小的滯後顯示測量值窗口和整個聚焦範圍的“全掃描”。

2. 更改測量窗口的大小和位置

只有少數幾個清楚的特徵能夠讓算法決定銳利度(微小結構,清楚輪廓,清楚的灰階散射值)。測量窗口越小,確定焦點的速度越快,並且只有一個圖像區域聚焦得越清晰。因此,在能夠滿足需求的範圍內,盡量縮小測量的窗口面積。在您的應用中,焦點對象的圖像位置越是可以重現,您就可以更好地預設測量窗口的大小和位置。 

觀察測量窗口的大小和位置
觀察測量窗口的大小和位置

尋找最大的銳利度值

自動聚焦的目的是盡可能快地找到聚焦設置,利用該聚焦設置,捕獲圖像在測量窗口中的最大銳度值。為了找到這些數值,uEye軟件提供了幾種基本的峰值搜索算法,這些算法的應用取決於場景(圖像內容)或您對速度和質量的要求。 最可靠但最慢的方法是按順序來設定每個焦點設置,一次拍攝一張照片,並確定其清晰度。 為了加速搜索最佳銳度值,通過首先跳過焦點設置(間隔),僅根據不同策略拍攝“隨機樣本”。只有在進一步的運行中,當找到“峰值”時,才能將它們掃描得更精細。  各個算法通過中止條件減少了搜索時間,但這樣往往無法達到最佳結果。 因此,uEye軟件可讓您選擇要使用的搜索策略。

由於焦點自動對焦計算是根據圖像的內容來判斷,並且需要多次測量才能找到最大值,因此在搜索過程中圖像內容不能改變!

Peak Search algorithm   特徵
Golden Ratio Search
  • 通過“Golden Ratio Search”細分搜索區域來搜索和優化最大搜索。
  • 即使使用大搜範圍也能快速搜索。
  • 使用較大的搜索範圍時,粗略搜索可能會跳過最大銳度! →提前縮小搜索範圍或僅使用單峰清晰度梯度(最多只有一個清晰度)。
Hill Climbing Search
  • 以較大的搜索間隔在大範圍內開始粗略搜索。
  • 當銳度值不再增加時檢測“最大值”,並且在第一次減小銳度值時中止在下一個聚焦區域中的搜索。
  • 然後在後續搜索運行中以較小的搜索間隔找到的最大範圍內細化測量結果。
  • 只有當磁滯被削弱時才會中止。
  • 比"Global Search"還快速
  • 找到的第一個最大值可能不是全局最大值!
  • 使用較大的搜索範圍時,粗略搜索可能會跳過最大銳度! →提前縮小搜索範圍或僅使用單峰清晰度梯度。
Global Search
  • 以較大的搜索間隔在大範圍內開始粗略搜索。
  • 在完整的搜索區域中進行概略搜索。
  • 然後在後續搜索運行中以較小的搜索間隔找到的最大範圍內細化測量結果。
  • 只有當磁滯被削弱時才會中止。
  • 比 "Full Scan全區域掃描"更快速
  • 使用較大的搜索範圍時,粗略搜索可能會跳過最大銳度! →提前縮小搜索範圍或僅使用單峰清晰度梯度。
Full Scan
  • 在沒有搜索策略的情況下,在單次通過中計算整個搜索範圍中的清晰度值。
  • 滯後定義了測量間隔。
  • 非常適合“盲目搜索”,因為它可以通過較小的滯後可靠地找到全局最大銳度。
  • 耗時小,滯後小,搜索範圍大。最糟的情況是1024個對焦值(uEye LE AF的對焦設置最大計數)都被確認到。

搜索算法的特徵

 

如果感興趣區域中的景深不夠大,某些算法很快就會在焦點設置附近搜索,無法找到全局最大值。在這種情況下,通常只有“全局搜索”或甚至“全掃描”才能成功。

最大搜索的準確性

滯後指定最小步長,在該最小步長處停止搜索最大銳度。這同時也決定了最大搜索的可實現精度。僅在“全掃描”中,滯後指定用於掃描整個搜索區域的恆定步長。

相機對焦的應用範例

通常,帶液體鏡頭和自動對焦的uEye LE AF板級相機適用於涉及可變物距的任何應用。當無法觸及鏡頭時,相機軟件手動或自動調整焦距平面就顯得非常有幫助。特別是在移動應用中,例如在機器人手臂上,小板級相機被用來辨識物體或編碼,在每次機器人移動後依然可以保持正確對焦。

結合HALCON等圖像處理功能,uEye自動對焦系統可以做得更多。 對於任何焦點設置的圖像,HALCON可以,計算連續清晰的圖像,該圖像在所有焦點水平上清晰地描繪對象場景。這是一種與焦點相關的“HDR”圖像而不是曝光(高動態聚焦)。

通過“掃描”所有焦平面上的物體場景,HALCON甚至可以根據這些圖像中的銳度測量值計算深度信息(“焦點深度”)。

根據所有聚焦平面的焦點值計算,深度信息.
根據所有聚焦平面的焦點值計算,深度信息.

以這種方式,也可以在沒有3D相機的情況下確定物體的體積。  還可以檢查物體是否位於同一樓層。  可直接與uEye LE USB 3.1 Gen 1 AF一起使用的現成聚焦圖像處理示例可在標準HALCON安裝範圍內找到。進一步的代碼示例和焦點函數及其所有接口參數的詳細說明可以在IDS Software Suite 4.92 manual找到。