工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)——分辨率、精度、重復(fù)精度

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的工廠(chǎng)都在進(jìn)行自動(dòng)化改造，用機(jī)器代替人工，實(shí)現(xiàn)更高效、更智能化的產(chǎn)線(xiàn)化管理。工業(yè)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)是產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程中必不可少的一部分，目前視覺(jué)檢測(cè)在汽車(chē)行業(yè)（汽車(chē)連接器Pin針檢測(cè)）、3C電子行業(yè)（手機(jī)中框平面度檢測(cè)）、太陽(yáng)能行業(yè)（硅片膠高檢測(cè)）、鋰電池行業(yè)電池標(biāo)簽平整度檢測(cè)）和其他行業(yè)的直線(xiàn)度檢測(cè)、測(cè)厚檢測(cè)等應(yīng)用都非常廣泛。

但是對(duì)于視覺(jué)新手或者涉及視覺(jué)領(lǐng)域不深的朋友們，平時(shí)在接觸評(píng)估機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品或項(xiàng)目時(shí)，容易對(duì)視覺(jué)相關(guān)的參數(shù)產(chǎn)生困惑。

這里我們就來(lái)詳細(xì)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(jué)檢測(cè)中所說(shuō)的分辨率就像一把尺子，表示的是量化刻度的細(xì)分大小（圖像傳感器上所具有的像素?cái)?shù)量）。

假如有兩個(gè)同樣大小的物體，通過(guò)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(duì)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(tái)200萬(wàn)像素的相機(jī)，像素是1600 pixel * 1200 pixel，意味著我可以把任何拍進(jìn)相機(jī)的圖像分解成長(zhǎng)1600寬1200的密集網(wǎng)格，并在每個(gè)網(wǎng)格中填入不同的彩色塊（彩色相機(jī)）或灰度值塊（黑白相機(jī)）。

為了把產(chǎn)品都放入到視野內(nèi)，我們計(jì)算分辨率的時(shí)候要考慮長(zhǎng)邊對(duì)應(yīng)，本例中，相機(jī)為1600 * 1200像素，假設(shè)拍照的區(qū)域?yàn)?600mm  x 1200mm，那么分辨率就是1600mm/1600pixel = 1 mm/pixel。 

精度（Accuracy）

精度，是反映測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的接近程度的量。一般情況下：

什么是“有效像素個(gè)數(shù)”呢？

讓我們繼續(xù)剛才的例子，分辨率是1mm/pixel時(shí)，是不是我們的精度就是1600/1600=1mm了呢？這個(gè)值如果是做測(cè)量，肯定不準(zhǔn)確，因?yàn)橐粋€(gè)像素在大多數(shù)情況下無(wú)法代表被測(cè)物特征。

如下圖所示，我們用相機(jī)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(shí)的邊緣呢？往往把圖像放大并仔細(xì)觀察就可以發(fā)現(xiàn)，“邊緣”其實(shí)是由一些過(guò)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(shí)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(shí)邊緣相差很多個(gè)像素。

以下是在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中，我們對(duì)像素和精度之間關(guān)系的兩種常規(guī)評(píng)估策略：

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

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

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

舉兩個(gè)例子：

例1：一把1米的軟尺,有1000個(gè)刻度，分辯率1毫米，用標(biāo)準(zhǔn)尺（更高精度的測(cè)量設(shè)備）去測(cè)量，結(jié)果為：絕對(duì)誤差+5毫米,精度+0.5%。如果能把軟尺拉長(zhǎng)20毫米，此時(shí)絕對(duì)誤差+25毫米，精度降為2.5%, 可是尺還是1000個(gè)刻度，其分辨率還是1毫米。

例2：兩桿稱(chēng)來(lái)稱(chēng)實(shí)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(gè)更準(zhǔn)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(jī)重復(fù)多次地完成同一變化過(guò)程所對(duì)應(yīng)測(cè)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(gè)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(dòng)很大，但是離10環(huán)相差較近；B的射擊結(jié)果波動(dòng)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(jué)系統(tǒng)，那么A的精度相對(duì)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(shí)候我們無(wú)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(duì)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(dòng)，當(dāng)區(qū)域中心移動(dòng)到靶心位置時(shí)，B的結(jié)果就會(huì)非常接近C。

類(lèi)似的情形是，戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期優(yōu)秀的炮手在第一發(fā)炮彈射擊后，會(huì)依據(jù)彈著點(diǎn)的實(shí)際偏離情況（固定差值）和自身經(jīng)驗(yàn)（重復(fù)精度）對(duì)彈道做一個(gè)固定值的補(bǔ)償修正計(jì)算，在接下來(lái)的射擊中能確保大多數(shù)炮彈擊中預(yù)定

那么在視覺(jué)檢測(cè)中，可能因?yàn)椴馁|(zhì)或機(jī)構(gòu)安裝導(dǎo)致一些相對(duì)固定的數(shù)據(jù)差異，我們可以通過(guò)對(duì)含有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)品（如：經(jīng)過(guò)三次元測(cè)量的產(chǎn)品）進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果中的固定差異進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)讓“射擊區(qū)域”轉(zhuǎn)移到靶心的位置。

而對(duì)于射手A的結(jié)果，無(wú)論如何調(diào)整靶心位置，都無(wú)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(jiàn)，對(duì)于工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)而言，重復(fù)精度更為重要。