光源在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中的重要性

為什么光源在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中非常重要？

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)分析來(lái)自物品的反射光線而非物品本身來(lái)生成圖像的。因此，至關(guān)重要的是，了解光線是如何從我們正在檢測(cè)的生產(chǎn)元件上反射出去的。要了解這一點(diǎn)，我們必須知道物品的生產(chǎn)材料、尺寸、形狀和表面處理。另外，即使我們使用單色檢測(cè)系統(tǒng)（紅色元件與粉色元件的光線反射方式不同），物品的顏色也非常重要。所有這些特點(diǎn)都會(huì)影響光線是如何被反射的，并且可能會(huì)給高品質(zhì)圖像的創(chuàng)建帶來(lái)挑戰(zhàn)。尋找適當(dāng)?shù)墓庠从兄谔幚砜此茝?fù)雜的應(yīng)用，并極大地簡(jiǎn)化應(yīng)用。

同時(shí)，光源還可能影響計(jì)算機(jī)分析生成可行圖像的難易程度。高品質(zhì)圖像源于適當(dāng)?shù)慕咕嗪驼彰鳌?duì)比度差和照明不均勻的圖像需要成像計(jì)算機(jī)花費(fèi)更多的精力，最終會(huì)增加處理時(shí)間，并可能增加錯(cuò)誤圖像分析的次數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)比度高的圖像最容易處理。請(qǐng)考慮上面顯示的圖像（圖1）。良好的圖像處理系統(tǒng)能夠識(shí)別兩個(gè)圖像中的“+”符號(hào)，但識(shí)別上面的圖像的可重復(fù)性將降低，這是因?yàn)橄啾认旅娴膱D像，這個(gè)圖像的對(duì)比度更低。如果適當(dāng)控制照明，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)將可以輕松處理圖像，并提供高度的可靠性/可重復(fù)性。

由于圖像是在光線從物品上反射回來(lái)時(shí)創(chuàng)建的，照射到物品并反射到相機(jī)的光線被視為明亮的光線。如果光線從相機(jī)上反射回來(lái)（或者被物品吸收），該物品將被視為暗物品。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常專(zhuān)注于亮區(qū)域與暗區(qū)域之間的差異，以得出邊線、質(zhì)地或標(biāo)識(shí)的相關(guān)結(jié)論， 這些都是檢驗(yàn)操作的重要參數(shù)。

光源類(lèi)型

所采用光線的波長(zhǎng)也可能是檢驗(yàn)過(guò)程中的一個(gè)重要變量。若采用特殊光線色彩的照明，則更容易區(qū)分對(duì)比性色彩，因?yàn)樗鼈冊(cè)趫D像中將顯得很暗。這種技術(shù)可用于提升瓶蓋上的日期代碼質(zhì)量。

紅外光可用于突出顯示農(nóng)產(chǎn)品上的擦傷，紫外光可使墨水或膠水發(fā)出熒光（請(qǐng)注意，如果采用紅外光或紫外光，則應(yīng)當(dāng)在相機(jī)上使用濾波器，以便可以看到物品的熒光，而不是光線本身）。

照明技術(shù)

選擇適當(dāng)?shù)恼彰骷夹g(shù)將有助于處理特定應(yīng)用的特殊問(wèn)題。市場(chǎng)上提供許多選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)對(duì)于特定的應(yīng)用而言都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。目前共有五種基本技術(shù)可用于為待檢驗(yàn)的元件提供照明：背光照明、直接照明、結(jié)構(gòu)化照明、軸上散射照明和離軸散射照明。

背光照明創(chuàng)造出一個(gè)輪廓，以突出元件的形狀，并允許對(duì)元件進(jìn)行測(cè)量，但其完全掩蓋了所有表面細(xì)節(jié)。其通過(guò)生成一 個(gè)圖像（大部分為白底黑色元件圖像），產(chǎn)生最大的對(duì)比度。檢驗(yàn)應(yīng)用可以采用這種技術(shù)進(jìn)行尺寸測(cè)量，但對(duì)于表面檢驗(yàn)來(lái)說(shuō)，背光照明是沒(méi)有用的。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)在于夾具難度。任何用于固定待檢驗(yàn)元件的機(jī)械夾具都可能會(huì)遮擋背光光線。請(qǐng)考慮下面的例子。

準(zhǔn)直光是指將光線對(duì)齊，確保始終是平行的，其非常適用于創(chuàng)建高清圖像（圖3）。

漫射光可通過(guò)使準(zhǔn)直光照射穿過(guò)毛玻璃來(lái)產(chǎn)生，其減少了光線強(qiáng)度，提供更柔和、更均勻的照明，避免產(chǎn)生眩光或陰影。

檢驗(yàn)元件時(shí)，另一個(gè)考慮因素是采集元件圖像時(shí)，元件的移動(dòng)速度，還有相機(jī)的曝光時(shí)間。這些因素都將影響光源的選擇。

要簡(jiǎn)化應(yīng)用，我們必須首先明確目標(biāo)，并專(zhuān)注于重要的檢驗(yàn)因素。了解目標(biāo)之后，我們可以專(zhuān)注于選擇光源，確保突出 顯示正在尋找的特征或缺陷，并忽略圖像中不需要的元素。

第二種光明技術(shù)是直接正面照明。通常情況下，光線從一個(gè)稍微偏離中心的角度照射出來(lái)。這樣的光源很容易設(shè)置，它 可以創(chuàng)建卓越的對(duì)比度，但也可能會(huì)創(chuàng)建陰影和產(chǎn)生眩光，這 取決于待檢驗(yàn)元件的表面。如果圖像存在對(duì)比度低的問(wèn)題，創(chuàng)建陰影可能是需要的，以提升對(duì)比度。并且，直接照明可用于通過(guò)頻閃凍結(jié)移動(dòng)。關(guān)于移動(dòng)光源的效果示例，請(qǐng)考慮下面的圖像。

如果需要最大限度地減少陰影，可以采用一個(gè)以上的直接照明裝置。出于這個(gè)目的，一些系統(tǒng)采用環(huán)形燈，其可以完全 包圍待檢查的元件。

另一種照明技術(shù)是結(jié)構(gòu)化照明。結(jié)構(gòu)化照明利用已知的光 線圖案（通常是產(chǎn)生一條線的光線平面），其用于獲取尺寸信息。通常情況下使用高度準(zhǔn)直的光源，如激光或光纖線性光源 等。這種技術(shù)提供價(jià)格低廉的方式來(lái)測(cè)量連續(xù)表面的深度和高度，通常在光源或表面移動(dòng)的情況下使用。另外，它還可以顯示對(duì)比度低的元件上的表面細(xì)節(jié)。用戶應(yīng)當(dāng)確保待測(cè)量的元件不會(huì)吸收光線，這是因?yàn)闉榱舜_保待測(cè)量元件上的照明效果，需要將光線反射出去。圖4a和圖4b顯示了線性光源從完全平坦和不連續(xù)的表面反射出去的效果。

軸上散射照明（“DOAL”）允許光線直接照亮與相機(jī)位于同一條線上的元件，光源不會(huì)阻礙相機(jī)采集圖像。這可以使用 50%鍍銀的反射鏡將光線直接反射到元件上來(lái)實(shí)現(xiàn)。相機(jī)通過(guò)反射鏡尋找元件，以采集被照亮元件的圖像。

軸上散射照明應(yīng)用包括檢測(cè)光亮、平坦表面上的缺陷，或者檢驗(yàn)小孔洞內(nèi)部。由于DOAL光源穿過(guò)鍍銀反射鏡后損失了強(qiáng) 度，因此，建議采用額外的光源來(lái)提高照度或物品上光線的一致性。

圖5a和5b顯示了使用DOAL如何能夠消除反射眩光，從而使一些應(yīng)用中的表面特征檢驗(yàn)變得更容易。

本文要介紹的最后一種照明技術(shù)是離軸漫射照明，也稱(chēng)為“陰天照明”或“穹頂照明”。采用這種技術(shù)時(shí)，光線不是直接反射到元件上，而是首先反射到一個(gè)漫反射面上，然后“ 回彈”到元件上。

離軸漫射照明技術(shù)會(huì)消除陰影，就好像我們?cè)陉幪觳榭礀|西一樣。同時(shí)，它還避免產(chǎn)生元件檢驗(yàn)應(yīng)用中可能引起問(wèn)題的熱斑或眩光。當(dāng)采用穹頂照明時(shí)，如果相機(jī)通過(guò)反射器圓頂中的一個(gè)孔來(lái)采集圖像，圖像中央可能會(huì)有一個(gè)盲區(qū)。因此，當(dāng)使用反射器時(shí)，添加一個(gè)DOAL光源可能有利于填補(bǔ)該盲區(qū)。

對(duì)于空間受限的應(yīng)用，平頂燈適用于放置在相機(jī)與元件之間，其可以產(chǎn)生類(lèi)似于弧形頂燈的效果。

始終開(kāi)啟或頻閃

在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，光源是始終開(kāi)啟或頻閃的。通過(guò)光線頻閃，我們可以增加光線強(qiáng)度，并且光源可以保持更長(zhǎng)的使用 壽命，更有用的一項(xiàng)功能是阻止移動(dòng)。但頻閃需要加以控制。這個(gè)時(shí)機(jī)必須與圖像采集精確協(xié)調(diào)，否則，圖像強(qiáng)度將會(huì)有所不同。另外，在使用頻閃照明時(shí)，還需要考慮人為因素。閃爍的燈光可能導(dǎo)致操作員癲癇發(fā)作或頭痛。

設(shè)計(jì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是，需要考慮機(jī)器待安裝區(qū)域內(nèi)環(huán)境光線的影響。用于照亮元件的光線必須 足夠明亮，能夠覆蓋掉任何照射在元件上的環(huán)境光線，以確保檢驗(yàn)系統(tǒng)的特殊照明能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的效果。環(huán)境光線可能 導(dǎo)致元件上出現(xiàn)額外的眩光。另外，環(huán)境光線還可能出現(xiàn)變 化，這取決于操作員可能站立的位置、一天中的時(shí)間、天氣 和一年中的季節(jié)。當(dāng)您為檢驗(yàn)系統(tǒng)選擇光源以及設(shè)計(jì)機(jī)器的安裝布局時(shí)，所有這些問(wèn)題都需要考慮到。

光源

鹵素?zé)羰且环N類(lèi)型的光源，適用于需要非常明亮光線的應(yīng)用，許多新型汽車(chē)前燈都是鹵素?zé)?，但這種光源也存在局限 性，事實(shí)上，它們無(wú)法提供頻閃功能，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)變得 非常熱，并且隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)損失一些強(qiáng)度。如果您 將這種類(lèi)型的光源用于一個(gè)檢驗(yàn)應(yīng)用，以最大功率的80%運(yùn)行 有利于延長(zhǎng)使用壽命，并保持電壓穩(wěn)定，以避免顏色變化。如 果您的應(yīng)用對(duì)其產(chǎn)生的鹵素?zé)崃棵舾械脑?，使用光纖光學(xué)元 件，可以將燈具安裝在距離元件較遠(yuǎn)的位置。

白熾燈是另一種類(lèi)型的光源。這類(lèi)燈泡價(jià)格低廉，并且很容易買(mǎi)到，但它們無(wú)法提供頻閃功能，容易產(chǎn)生熱量，并且隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)略微損失一些強(qiáng)度。

熒光燈光源價(jià)格相對(duì)便宜，市場(chǎng)上提供許多形狀和尺寸選擇。這類(lèi)光源提供漫射光線，最大程度地減少了眩光，局限性包括無(wú)法提供頻閃功能，隨著時(shí)間的推移，質(zhì)量會(huì)下降，并且難以調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度。由于交流電源頻率的原因，熒光燈還會(huì)出現(xiàn)閃爍，這可能會(huì)影響視覺(jué)檢驗(yàn)應(yīng)用的圖像質(zhì)量。使用高頻鎮(zhèn)流器可以幫助減少閃爍量，但不能完全消除。

光是一種高度準(zhǔn)直的光源，具有高強(qiáng)度，從而可以將它們安裝在距離待檢驗(yàn)物品一定距離的位置。目前有一種特殊類(lèi)型的激光，稱(chēng)為“二極管激光”，可以提供頻閃功能。激光通常用于進(jìn)行距離測(cè)量，有時(shí)還進(jìn)行三維測(cè)量，但無(wú)法進(jìn)行高精度測(cè)量。激光傳統(tǒng)上非常昂貴，并且需要采取特殊的安全預(yù)防措施，因?yàn)樗鼈兛赡軒?lái)潛在的安全隱患。如果您的應(yīng)用需要這種光源，光纖光學(xué)元件可以提供更安全的準(zhǔn)直光源選擇。

許多較舊的頻閃系統(tǒng)采用氙氣燈。氙氣適合提供頻閃功能，因?yàn)樗軌蛟诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)提供非常高的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生 移動(dòng)停止的印象。但隨著時(shí)間的推移，氙氣頻閃的強(qiáng)度會(huì)降低，目前市場(chǎng)上很少使用氙氣光源。

一個(gè)更好的替代方案是使用二極發(fā)光管（LED）。這類(lèi)光源是當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中最常見(jiàn)的光源。它們具有非常長(zhǎng)的使用壽命，超過(guò)10000小時(shí)，并且提供頻閃功能，還可以連續(xù)開(kāi)啟，不會(huì)產(chǎn)生熱量。同時(shí)，LED使用起來(lái)非常安全、高效，您可以在市場(chǎng)上找到幾乎任何顏色或特定波長(zhǎng)的LED光源。雖然早期的 LED光源亮度有限，但現(xiàn)代的LED可以非常明亮（考慮一下有多少新型汽車(chē)正在使用LED外部照明）。

下面的圖表比較了不同的光源替代方案，以了解它們對(duì)于不同應(yīng)用的適用性。

集成光源

機(jī)器視覺(jué)用戶可以選擇購(gòu)買(mǎi)含有集成光源的系統(tǒng)。集成光源簡(jiǎn)化了設(shè)置，并突出顯示特殊的元件或特征，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)、安裝和供電額外的光源。一些配有集成光源的視覺(jué)系統(tǒng)還提供使用軟件控制強(qiáng)度和光線頻閃的額外益處，無(wú)需額外的設(shè)備。由于無(wú)需外部光源和電源，配有集成光源的系統(tǒng)更容易在生產(chǎn)線上難以到達(dá)的空間內(nèi)安裝和使用。同時(shí)，集成光源還更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

總結(jié)

市場(chǎng)上有許多光源選項(xiàng)，也有許多不同的視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)建和定向方式。選擇適當(dāng)?shù)墓庠纯梢允箼C(jī)器的生產(chǎn)率產(chǎn)生顯著的變化。規(guī)劃一套新的自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，首先要做的是了解待檢驗(yàn)的元件——通過(guò)檢驗(yàn)元件，需要了解元件的哪些方 面，比如表面處理、顏色等。同樣重要的是了解生產(chǎn)環(huán)境。然后，審查不同光源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。選擇適當(dāng)?shù)墓庠春?，?一個(gè)決定是如何定位光源，以確保最大的有效性。通過(guò)適當(dāng) 的光源組合以及光源相對(duì)于元件的安裝方式，相機(jī)可以根據(jù) 需要忽略或強(qiáng)調(diào)元件特征，以確保生成清晰、一致的圖像， 從而滿足應(yīng)用的檢驗(yàn)需求。機(jī)器視覺(jué)專(zhuān)家可以幫助您確定最 佳光源和光源定位選擇，以滿足您的特定應(yīng)用需求。

編輯：黃飛

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