Makine Görmesi (Machine Vision) İçin Kamera Görüş Alanı Hesaplama

Endüstriyel otomasyon ve kalite kontrol süreçleri artık insan gözünden ziyade, saniyede yüzlerce ürünü milimetrik hassasiyetle inceleyebilen kameralara emanet edilmiştir. "Makine Görmesi" (Machine Vision) olarak adlandırılan bu sistemler, konveyör bantları üzerinde akan ürünleri tarayarak barkod okuma, hata tespiti, ölçüm yapma veya robotik kolları yönlendirme gibi kritik görevleri üstlenir.

Bir makine görmesi sisteminin başarılı olabilmesi için yazılımdan önce optik donanımın doğru seçilmesi şarttır. Yanlış seçilmiş bir lens veya sensör, ürünün kenarlarının kadraj dışında kalmasına veya detayların yeterince seçilememesine yol açar. Bu donanım seçiminin kalbinde ise Görüş Alanı (Field of View - FOV) hesaplamaları yatar. Bu makalede endüstriyel kameralar için FOV hesabı yaparken nelere dikkat etmeniz gerektiğini ve Kamera Görüş Alanı Hesaplama aracımızı projelerinizde nasıl kullanabileceğinizi inceleyeceğiz.

Makine Görmesi Sistemlerinde Doğru FOV'un Kritik Rolü

Tüketici fotoğrafçılığından farklı olarak, makine görmesinde "genel bir manzara" çekilmez. İstenen şey, spesifik bir parçanın (örneğin bir vida veya devre kartı) olabildiğince net, distorsiyonsuz (bükülmesiz) ve doğru boyutta kadraja oturtulmasıdır.

• Çok Dar FOV: Ürünün tamamı kadraja sığmaz. Yazılım, ürünün eksik parçalarını analiz edemediği için sağlam ürünleri hatalı (reject) olarak işaretleyebilir.
• Çok Geniş FOV: Ürün, görüntünün sadece ufak bir bölümünü kaplar. Bu durum, kameranın piksellerinin israf edilmesi anlamına gelir. Yazılım, hatayı tespit edecek yeterli piksel sayısına (çözünürlüğe) ulaşamaz.

İdeal kurulumda ürün, görüş alanının (FOV) yaklaşık %80'ini kaplayacak şekilde ayarlanır. Geri kalan %20'lik kısım, ürünün konveyör banttaki ufak pozisyon kaymalarını (tolerans payını) telafi etmek için bırakılır.

Çalışma Mesafesi (Working Distance) Nedir?

Makine görmesi alanında FOV hesaplanırken en çok karşılaşılan terim "Çalışma Mesafesi"dir (Working Distance - WD). Çalışma mesafesi, lensin en uç noktası ile incelenecek nesne arasındaki fiziksel uzaklıktır.

Fabrika ortamlarında çalışma mesafesi genellikle sabit ve kısıtlıdır. Örneğin, kamerayı bir robot kolunun hemen yanına veya dar bir tünelin içine yerleştirmeniz gerekebilir ve kamerayı üründen ancak 30 cm (0.3 metre) uzaklaştırabiliyorsunuzdur.

Bu kısıtlamalar altında, ihtiyacınız olan FOV değerine ulaşmak için geriye tek bir seçenek kalır: Doğru sensör boyutunu ve doğru odak uzaklığına sahip lensi seçmek.

Çözünürlük ve Piksel Boyutu ile FOV İlişkisi

Sadece alanı görmek yetmez, o alanı hangi detay seviyesiyle gördüğümüz de önemlidir. FOV içerisindeki detay seviyesi sistemin çözünürlüğüne bağlıdır.

Örneğin, FOV genişliğiniz 100 mm (10 cm) olsun. Kameranızın yatay çözünürlüğü de 1000 piksel olsun.
Bu durumda Uzaysal Çözünürlük (Spatial Resolution) = FOV / Piksel Sayısı = 100 mm / 1000 = 0.1 mm/piksel olur.
Yani sisteminizin görebileceği en küçük hata boyutu 0.1 mm (100 mikron) civarındadır. Eğer kalite kontrol prosedürünüz 0.05 mm'lik çizikleri tespit etmenizi gerektiriyorsa, ya 2000 piksellik bir kameraya geçmelisiniz (maliyet artar) ya da FOV alanını daraltıp sadece o çizikli olabilecek kritik noktaya odaklanmalısınız (birden fazla kamera gerekebilir).

Endüstriyel Lens Seçimi ve Optik Hatalar

Endüstriyel uygulamalarda lensin kalitesi hayati önem taşır. Çoğu standart lens, kenarlara doğru bükülme (distorsiyon) yaratır (Fıçı veya yastık distorsiyonu).

Makine görmesi ile hassas ölçüm (Metrology) yapacaksanız, bu bükülmeler boyut ölçümlerini hatalı çıkarır. Bu yüzden genellikle düşük distorsiyonlu lensler veya perspektif hatasını tamamen sıfırlayan Telesentrik (Telecentric) lensler kullanılır. Ancak standart lensler kullanıldığında FOV hesaplama formülleri devreye girer.

FOV hesaplamasında kullanılan temel denklem şudur:
FOV = (Sensör Boyutu * Çalışma Mesafesi) / Odak Uzaklığı

Bu doğrusal denklem yaklaşık değerler verir ve ince hesaplamalar için trigonometrik formül olan Açı = 2 * arctan(Sensör Boyutu / (2 * Odak Uzaklığı)) ve ardından Fiziksel Genişlik = 2 * Mesafe * tan(Açı / 2) kullanılması daha kesindir.

Hesaplama Aracıyla Fabrika Hattı Örnekleri

Diyelim ki konveyör bant üzerinde akan devre kartlarını (PCB) denetleyen bir sistem kuracaksınız. Kartların genişliği 15 cm (0.15 m). Tolerans payı bırakmak için sistemin yatayda 20 cm'lik (0.2 m) bir alanı görmesini (FOV genişliği) istiyorsunuz. Kamerayı fiziksel engellerden dolayı üründen tam 50 cm (0.5 m) yukarıya monte etmek zorundasınız (Nesne Mesafesi).

Elinizde 1/2 inçlik bir sensöre (genişliği 6.4 mm) sahip endüstriyel kamera var. Hangi odak uzaklığında bir lens (Örn: 8mm, 12mm, 16mm) satın almalısınız?

Bu soruyu çözmek için Kamera Görüş Alanı Hesaplama aracımızı açın:

1. Sensör Genişliği kısmına: 6.4 mm girin.
2. Nesne Mesafesi kısmına: 0.5 metre (50 cm) girin.
3. Odak uzaklığını (Focal Length) test etmeye başlayın.
   • 16mm girerseniz: 0.5m mesafedeki genişliğin yaklaşık 0.20 m (20 cm) olduğunu göreceksiniz.

Harika! Girdiğiniz parametrelere göre tam aradığınız 20 cm'lik FOV değerini 16mm'lik bir lens ile elde edebileceğinizi buldunuz.

Sıkça Sorulan Sorular

Sensör formatları (1/2", 2/3", 1") makine görmesinde ne anlama gelir?

Bu değerler, tıpkı tüketici kameralarında olduğu gibi sensörün fiziksel boyutunu ifade eder. Makine görmesi kameralarında 1/3" ila 1.1" arasındaki sensörler çok yaygındır. Lensin "Format Boyutu" kameranın sensör boyutuna eşit veya ondan büyük olmalıdır. (1/2" kameraya 1/3" lens takarsanız kenarlarda siyahlık -vignetting- oluşur).

Makrolens veya Telesentrik lensler için bu hesaplamalar geçerli mi?

Standart (Entosentrik) lensler için geçerlidir. Makrolensler veya Telesentrik lenslerin optik tasarımları farklıdır. Özellikle Telesentrik lenslerde Görüş Alanı (FOV), çalışma mesafesinden bağımsızdır (nesne kameraya yaklaşsa da uzaklaşsa da boyutu aynı kalır). Bu nedenle Telesentrik lenslerin FOV değerleri lensin fiziksel çapına bağlıdır ve lens spesifikasyon kağıdında doğrudan yazar, formülle hesaplanmaz.

Sistemin montajından sonra FOV değeri neden hesaplanandan birkaç milimetre farklı çıktı?

Bu çok olağandır. Araçlarımız ideal "ince lens" teorisine dayanarak tahmini değerler sunar. Gerçek lensler çoklu cam elemanlarından oluşan kalın optiklerdir, distorsiyon barındırırlar ve odaklanma işlemi lens elemanlarının hareket etmesini (böylece odak uzaklığının çok küçük de olsa değişmesini) gerektirir. Makine görmesi projelerinde hesaplama araçlarını bir "Kılavuz ve Satın Alma Karar Destek" aracı olarak kullanıp, son ince ayarı fiziksel ortamda yapmak endüstri standardıdır.