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亚像素元技术的分析

随着机器视觉技术的应用越来越广泛,基于视觉检测技术的应用已经由小型电子元器件向不同行业进行了扩展。现在项目需求的典型特点是:检测面积大、检测精度高。动辄在检测几十厘米范围的同时检测精度还要达到几个丝。很多人按单像素精度理论计算后,发现根本没有这么大分辨率的相机,或者即便有这么大分辨率的相机,其成本却极其高昂。于是,很多人就求助于“亚像素元技术”,甚至在项目评估阶段就简单的把相机分辨率“减半”。那么这种方案到底是否合适?我们该怎么正确认识并在项目实施中采用这种技术呢?维视图像公司借助十几年的机器视觉系统研发经验及针对高精密检测的双远心光路研发经验,在此谈一点自己的看法,以解初入行者之惑。
“亚像素元技术”的原理
在解释此概念之前,先简单的了解下基于视觉技术的检测原理。我们知道视觉检测是基于视觉传感器获取图像并进行处理的技术。图像是由一个接一个的像素点构成,以MV-EM120M为例,其默认输出的图像分辨率为1280*960。图像测量就是从这120万个像素点中找到待测对象,计算对象上有多少个像素点,再换算成实际尺寸,这个实际尺寸就是我们需要的测量结果。如下图所示:

 

由以上几图我们可以看出,数字图像就是拿不同大小的数字(0~255)来表示图像的灰度等级,图像处理软件就是通过一些算法把待测对象的边缘找出来,然后计算各边缘之间的像素数量关系从而得到测量结果。以上图为例:拍摄相机是MV-EM120M,其分辨率为1280*960,配套镜头后看的范围是640mm*480mm,在不考虑畸变的前提下,每个像素代表的实际尺寸为640/1280=0.5mm,也就是说上图中测量的小圆直径为10mm(20个像素乘以0.5mm)。那么在该视觉系统下面测量的任何对象其精度都不可能小于0.5mm,可如果我们需要的检测精度为0.25mm时,该怎么办呢?很显然,方法有2个:其一将工业相机改成MV-EM510M(500万CCD);其二采用亚像素元技术。
亚像素元技术解析如下图:

 

由上图可知,检测结果为对“插值后图像”处理的结果,由于图像分辨率提高了一倍,故用于表示小圆直径的像素数量也增加了一倍,这就是一阶亚像素元技术。我们在每两个像素之间插值一个像素,这样本来是120万像素的图像,插值后的实际处理图像就是240万像素了,相当于把一个像素拆分为1/2,同理依次有1/3拆分、1/4拆分等,一些优秀的算法甚至可以达到1/100拆分,同时还能保证处理速度。
亚像素元技术相对于传统方案,检测精度是提升了1倍吗?表面上看是这样,但其实不然,要想真正弄清楚这个问题,我们还需要了解下工业检测精度到底该怎么评估。