機(jī)器視覺常用的一些光源

機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像的采集和處理。 所有信息均來源于圖像，圖像的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。 一幅好的圖像可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而大大降低圖像處理算法的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的精度和可靠性。

一幅好的圖像應(yīng)該具備如下條件：

對(duì)比度：對(duì)比度明顯，目標(biāo)與背景的邊界對(duì)比清晰，要求目標(biāo)與背景灰度值至少相差30以上；

均勻性：要求圖片整體亮度均勻，或整體不均勻但灰度差不影響圖像處理；

真實(shí)性：與顏色有關(guān)的還需要顏色真實(shí)，亮度適中，不過度曝光，過度像素滿足精度檢測要求；

干擾性：背景盡量淡化。

而光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像質(zhì)量的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，所以在整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源有著關(guān)鍵性的作用。 由于目前尚沒有一個(gè)通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，因此針對(duì)每個(gè)特定的案例，設(shè)計(jì)合適的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。 常見的視覺光源

機(jī)器視覺常用的一些光源主要有：LED燈、光纖鹵素?zé)?、氙燈、高頻熒光燈等。

01 LED燈

壽命約30000-100000小時(shí)；

優(yōu)點(diǎn)：可以使用多個(gè)LED達(dá)到高亮度，同時(shí)可組合不同的形狀，響應(yīng)速度快，波長可以根據(jù)用途選擇。

02 光纖鹵素?zé)?/p>

使用壽命約1000小時(shí)左右；

優(yōu)點(diǎn)：亮度高；

缺點(diǎn)：影響速度慢，幾乎沒有光亮度和色溫的變化。

03 氙燈

使用壽命約1000小時(shí)左右；

優(yōu)點(diǎn)：亮度高，色溫與日光接近；

缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢，發(fā)熱量大，壽命短、工作電流大、供電安全要求嚴(yán)格、易碎。

04 熒光燈

使用壽命約1500-3000小時(shí)；

優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)散性好、適合大面積均勻照射；

缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢，亮度較暗。

各種視覺打光方式

背光照明方式

1、漫射背光源貫穿透射結(jié)構(gòu)描述：漫射背光源置于待測工件正下方，攝像系統(tǒng)垂直于工件和光源進(jìn)行拍照。 主要應(yīng)用：存在性檢測、計(jì)數(shù)、薄片邊緣檢測、透明體表面和內(nèi)部不透明異物或臟污檢測、透明體和半透明體突變型和部分漸變?nèi)毕?、鏤空打標(biāo)檢測等。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，整體價(jià)格較低，尺寸檢測效果穩(wěn)定可靠。一般情況下圖像只有黑白兩種區(qū)域，便于處理。相機(jī)正對(duì)光源拍攝，亮度容易滿足。 缺點(diǎn)：大部分在線檢測項(xiàng)目不方便使用；多層交疊不透明體會(huì)互相干擾；有一定厚度，帶倒角、圓角的物體或者圓柱體尺寸測量容易出現(xiàn)邊緣發(fā)虛現(xiàn)象，結(jié)果會(huì)有偏差，如果測量精度要求很高，則可靠性不高。 應(yīng)用技巧：光源面積夠用即可，面積過大會(huì)影響邊緣效果；光源距離工件遠(yuǎn)一些，效果會(huì)在一定程度上改善；使用物方遠(yuǎn)心鏡頭，可以提高穩(wěn)定性；圖像亮度不宜過曝，通常最亮部分的灰度值不大于220。

2、平行背光源貫穿透射結(jié)構(gòu)描述：平行背光源置于待測工件正下方，攝像系統(tǒng)垂直于工件和光源進(jìn)行拍照。 主要應(yīng)用：產(chǎn)品邊緣形狀導(dǎo)致的不適合使用漫射背光源的精確邊緣檢測、定位和尺寸測量等項(xiàng)目。 優(yōu)點(diǎn)：光線平行性好，圖像效果極佳，測量精度高，準(zhǔn)確穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：光源本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高、對(duì)其他配套硬件要求也比較高(例如需配合遠(yuǎn)心鏡頭使用等)、安裝調(diào)試要求高。 應(yīng)用技巧：光源與鏡頭必須調(diào)同軸，如果對(duì)不準(zhǔn)，效果很差，一旦對(duì)準(zhǔn)，效果極好。調(diào)好后穩(wěn)妥固定，以免使用過程中由于震動(dòng)或不對(duì)稱外力長期影響而錯(cuò)位。

漫射光方向比較散亂，被瓶身折射后依然是雜散光，整體上比較均勻，瓶子輪廓與背景對(duì)比不明顯。 平行光照射情況下，邊緣區(qū)域?qū)⒐饩€折射到鏡頭入瞳之外的區(qū)域，顯示為黑色，與背景對(duì)比很明顯。 使用漫射背光測量，由于側(cè)部光線被反射進(jìn)入鏡頭，會(huì)出現(xiàn)上圖所示的“發(fā)虛”現(xiàn)象，過渡像素較多，無法滿足高精度測量要求，影響測量的精度。 使用同樣大小的平行背光測量，全部光線方向統(tǒng)一，圖像邊緣很銳利，像素過度減少。同時(shí)配合遠(yuǎn)心鏡頭使用，可以提高成像穩(wěn)定性和精度，也可進(jìn)一步減少環(huán)境雜散光的干擾。 前光照明方式1、低角度直射光應(yīng)用

結(jié)構(gòu)描述：低角度照射，表面平整部位反光無法進(jìn)入鏡頭，圖像亮度較低；不平整部位反光進(jìn)入鏡頭，圖像亮度較高。 主要應(yīng)用：表面劃傷檢測，打標(biāo)字符檢測與識(shí)別，表面異物檢測，邊緣尺寸測量，定位，倒角測量，沖壓，澆鑄字符圖案檢測與識(shí)別等項(xiàng)目。 優(yōu)點(diǎn)：便于安裝、效果穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：透明物質(zhì)、表面劃傷邊緣起毛的效果不明顯，有些情況下現(xiàn)場要求光源必須處于一定高度之上，影響效果。 常用光源：條形光、線形光、低角度環(huán)形光等。 低角度光源照射，圖像背景為黑色，即暗場照明，可以顯現(xiàn)物體邊緣倒角等45~60°的坡度信息，表面比較雜亂的碰傷、劃傷、雕刻特征也可以顯示出來。

2、高角度直射光應(yīng)用

結(jié)構(gòu)描述：高角度照射，表面平整部位反光比較容易進(jìn)入鏡頭，圖像亮度較高；不平整部位反光雜亂，部分光線進(jìn)入不到鏡頭，圖像亮度較低。 主要應(yīng)用：表面細(xì)微劃傷檢測，打標(biāo)字符檢測與識(shí)別，表面異物檢測，邊緣尺寸測量，定位，沖壓，澆鑄字符圖案監(jiān)測與識(shí)別等項(xiàng)目。
優(yōu)點(diǎn)：效果明顯，細(xì)節(jié)清晰。 缺點(diǎn)：均勻性調(diào)節(jié)有一定難度。 常用光源：高角度環(huán)形光、條形光、面光源、同軸光、點(diǎn)光。 高角度光源照射，圖像背景為白色，即明場照射，可以顯現(xiàn)物體表面平整區(qū)域的輪廓特征，表面比較雜亂的劃傷、階梯等特征也可以顯示出來，表面粗糙程度不同或光反射率不同的區(qū)域也會(huì)有明顯差異。

折射光應(yīng)用

結(jié)構(gòu)描述：光源置于待檢物體下方或者一側(cè)，直射光線經(jīng)平整表面垂直射入工件并從另一側(cè)射出。在平整表面部分，透射光線沿著與入射光線一致的方向射出，不平整表面部分的透射光線則遵循折射定律與入射光線的方向出現(xiàn)偏移；此時(shí)鏡頭主軸垂直工件表面，平整部分將在圖像中呈現(xiàn)為亮背景特征，而不平整部分則相反，將在明亮背景上呈現(xiàn)為暗特征。 主要應(yīng)用：透明物體表面細(xì)微劃傷檢測、形狀圖案識(shí)別與檢測、物體表面平整度與厚度均勻性檢測等。 優(yōu)點(diǎn)：效果明顯，細(xì)節(jié)清晰，穩(wěn)定性好。 缺點(diǎn)：有些情況下，結(jié)構(gòu)安裝不方便。 常用光源：面光源、點(diǎn)陣光源、帶透明圖層面光源等。 散射光應(yīng)用

直射光從檢測目標(biāo)單側(cè)照射，光線照射到微觀粗糙結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生散射，沒有散射的區(qū)域?yàn)榘祱觯趫D像中亮度比較低，發(fā)生散射的區(qū)域亮度比較高。 應(yīng)用技巧：保證透射性能良好的情況下，盡可能選擇波長比較短的光源。 主要應(yīng)用：玻璃、塑料等透明物體細(xì)微劃傷檢測、表面激光雕刻字符識(shí)別與檢測、透明薄膜邊緣定位測量等項(xiàng)目。 優(yōu)點(diǎn)：效果明顯，細(xì)節(jié)清晰。 難點(diǎn)：有些情況下，要求檢測有效距離比較遠(yuǎn)，對(duì)光源亮度要求比較高。 常用光源：線形光、條形光、點(diǎn)光等(大多數(shù)情況下需特制光源)。 顏色過濾與加強(qiáng)與物體表面自然色相同或相近顏色的光照射到物體上之后，反射率比較高；對(duì)比色照射，則反射率較低。利用這一原理，可以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)圖像效果、過濾背景干擾的目的。 右圖為啤酒瓶蓋子，檢測目標(biāo)是上面的噴碼，每種蓋子會(huì)有不同的背景色和圖樣，如第一幅所示，第二幅和第三幅所使用蓋子為藍(lán)色和綠色背景。選擇和背景顏色一致的光源照射，即可獲得圖中的效果，背景被過濾掉或者大幅削弱，字符檢測和識(shí)別不再受干擾。

如何選擇/設(shè)計(jì)視覺光源照明方案

1、基本思路光照射到物體表面之后，會(huì)發(fā)生一系列光學(xué)現(xiàn)象，主要包括鏡面反射、漫反射、表面散射、折射、背散射、透射、背反射、色散等。還有一部分光被物體吸收，各種情況發(fā)生的條件由物體表面的形狀、微觀結(jié)構(gòu)、顏色、化學(xué)成分等客觀條件決定。

不同的表面發(fā)生各種光學(xué)現(xiàn)象的差異很大，例如鍍膜良好的鏡子表面，光照射之后幾乎全部被反射，也就是鏡面反射占了最主要的成分；光線接近垂直照射到玻璃上之后，幾乎全部穿透，從另一面發(fā)射出去，這種情況下透射占了最主要的成分；黑色粗糙表面，基本沒有光反射或者透射，幾乎全部光會(huì)被吸收掉。 除此之外，光學(xué)效果還取決于光源的發(fā)光方式和照射方式，例如漫射光均勻照射可以消除物體表面不平整造成的差異。而平行光照射則恰好相反，能夠突出物體表面不平整的特征。 因此想得到預(yù)期效果，需要選擇合適的光源和恰當(dāng)?shù)恼丈浞绞健?2、選光源的一般過程

了解項(xiàng)目需求，明確要檢測或者測量的目標(biāo)；

分析目標(biāo)與背景的區(qū)別，找出兩者之間成像差異最大的光學(xué)現(xiàn)象；

根據(jù)光源與目標(biāo)之間的配合關(guān)系，初步確定光源的發(fā)光類型及顏色；

拿實(shí)際光源測試，以確定滿足要求的打光方式；

根據(jù)具體情況，確定適用客戶的產(chǎn)品。

審核編輯 ：李倩