選擇最合適機器視覺照明的八個小技巧

1、 光源簡介

什么是光源呢？光源指的是“能發(fā)出可見光的物體，如太陽、燈、火等。物理學上指能發(fā)出電磁波的物體”。簡單理解下即可，我們更感興趣的是在視覺系統(tǒng)應用中，什么樣的光源才是“好”光源。只有知道什么樣的光源是好的光源，我們才能正確地進行光源選型。下面，我們給出幾條“好”光源的標準：

1. 將ROI區(qū)域（感興趣區(qū)域）和其余部分的灰度值差異加大

2. 弱化非ROI區(qū)域

3. 光照強度要足夠，提高信噪比，方便圖像處理

4. 穩(wěn)定且壽命長

5. 成本低

6. 光源的均勻性要好

上面6點中，第3、4、5、6點是光源自身的性能要求，和檢測對象無關。至于第1點和第2點，除了和光源自身有關，還和檢測對象有關，需要選擇不同種類的光源。

目前市面上常見的光源種類主要有：LED燈、鹵素燈、熒光燈、白熾燈等。這里，我們可以簡單地選擇LED燈即可（大部分情況下，LED優(yōu)勢很大）。

在進一步的選型討論之前，我們先來學習下和光源相關的一些基本概念：顯色性、色溫、波長、發(fā)光強度、光照強度、光通量、相鄰色和互補色。

顯色性：光源對物體的顯色能力，使用顯色指數(shù)(Ra)表示，最高為100。

色溫：表示光線中包含顏色成分的一個計量單位。

波長：波在一個振動周期內傳播的距離。

發(fā)光強度：簡稱光強，表示光源在單位立體角內光通量的多少。

光通量：人眼能感覺的輻射功率，單位為“流明“，符號lm。

照度：單位面積上所接收可見光的光通量，單位為流明/平方米，或者稱Lux/lx。

相鄰色和互補色：相鄰色是在色環(huán)上相鄰/同種的顏色，疊加后在黑白相機中呈現(xiàn)淺色。互補色是在色環(huán)上相對的顏色，疊加后在黑白相機中呈現(xiàn)深色。色環(huán)圖如下所示：

2、 打光方式

打光的概念和分類

1、正面光/入射光：相機和光源在同一測。

典型的有同軸光、環(huán)形光、條形光源的等。

2、背光/透射光：相機和光源位于被檢測物體的兩側。

典型的光源是背光源；

3、明場照明：光源和被測物體呈一定角度，使大部分光反射到相機上；

典型的高角度環(huán)形光源，條形光源等。

4、暗場照明：光源和被測物體呈一定的角度，使大部分光源不能反射到相機上，讓少部分光或者特定的光反射到相機里；

典型的光源是低角度光源；

實際應用案例（實際使用中，僅供參考，在選擇光源時，先按照常規(guī)套路選擇同軸光或者環(huán)形光，再選擇光源的顏色，常規(guī)套路不行嘛，就是在常規(guī)的基礎上做大量測試）

（總結于自己使用的經(jīng)歷）在實際使用中常用的就是四種，同軸光源，環(huán)形光源，條形光源和背光源；

1、背光源：一般就是用于尺寸輪廓檢測，如果使用正面照射，反射會造成虛影，損失像素，從而精度降低；

2、條形光源：大部分時候一般不單獨使用一條，多用于幾條組合在一起使用，構成角度光，優(yōu)點比較靈活。配合拱形光滑頂面可以做成圓頂光源，均勻性比較好。

3、環(huán)形光：一般用作定位、檢測特定的缺陷，很難檢測一個產(chǎn)品上有很多種缺陷時，環(huán)形光就顯的比較局促了。

4、同軸光：產(chǎn)品上缺陷比較多的時候，使用同軸光比較合適，例如，產(chǎn)品表面有發(fā)黃，油污，劃傷（比較深的）等。缺點也很明顯，就是光源在一定面積里有衰減，主要因為同軸光的發(fā)光原理時使用分光鏡折射產(chǎn)生的，離光源較遠的就比較暗，離光源較近的就比較亮；一般如果需要使用的話，按照我個人經(jīng)驗，選擇比較大的同軸光，被檢測物相對較小，可以選擇比較均勻的位置檢測

打光方式也可以分為如下幾種：背部打光、高角度打光、低角度打光和投射打光。

背部打光：待檢測物體在光源和相機之間。在最終的圖像中，會清晰地顯示物體的外輪廓?？梢杂脕頇z測物體的尺寸、檢測物體的放置方向、檢測是否存在孔和間隙。

高角度打光：光線方向和待檢測表面所成夾角比較大。高角度打光時，表面平滑的部分在圖像中顯示偏亮，表面結構復雜的地方，如劃傷、凹痕，在圖像中顯示偏暗。

cvtutorials.com注釋：高角度打光時候，表面平滑的部分會發(fā)生鏡面反射，反射的光線會進入到相機鏡頭中，所以看起來比較明亮。表面結構復雜的部分會發(fā)生漫反射，只有部分光線會反射到相機鏡頭中，所以在圖像中顯示偏暗。初見高角度打光這種打光方式時，我突然就聯(lián)想到了初中物理中曾經(jīng)做過的一個題目，迎著月亮和背著月亮，如何分辨水坑和正常道路，背后的原理是類似的。

低角度打光：光線方向和待檢測表面所成夾角比較小。低角度打光時，表面平滑的部分在圖像中顯示偏暗，表面結構復雜的地方，如劃傷、凹痕，在圖像中顯示偏亮。

cvtutorials.com注釋：理解鏡面反射和漫反射的概念后，你可以自己嘗試給出平滑偏暗、劃傷偏亮背后的原因。

透射打光：待檢測物體在光源和相機之間，待檢測物體是半透明或者透明的。

選擇最合適機器視覺照明的八個小技巧

機器視覺系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)是極其重要的一部分，它的好壞直接影響著后面的圖像處理。好的照明系統(tǒng)可以減少很多圖像處理工作，提升整個機器視覺系統(tǒng)效率。那么照明是怎樣一門學問呢？如何在機器視覺系統(tǒng)中選擇合適的照明系統(tǒng)呢？

合適的照明是機器視覺應用成功的關鍵，而且是第一要考慮的部分。一個設計良好的照明系統(tǒng)不僅會帶來更好的性能，節(jié)約時間，而且從長遠來看能節(jié)約成本。下面來分享選擇最合適機器視覺照明的八個小技巧，它們是：

1、檢測材料缺損請使用亮度高的光；

2、精確定位請使用合適波長的光；

3、檢測玻璃上的刮痕請使用非漫射的光，即Non-Diffused Light；

4、檢測透明包裝請使用漫射光，即Diffused Light；

5、創(chuàng)造對比請使用顏色光；

6、檢測快速移動物體請使用頻閃光；

7、消除反射時請使用紅外光；

8、消除顏色變化請使用紅外光。

照明是怎樣影響機器視覺應用的呢？

對于將質量最為輸出的機器視覺系統(tǒng)依賴于圖像質量。高質量的圖像使得系統(tǒng)能夠精確地解釋出從檢測物體中提取的信息，這樣就可以產(chǎn)生可靠的并可重復的系統(tǒng)性能。在任何視覺應用中需要的圖像質量很大程度上取決于照明條件：顏色，角度和使用照明對象的光源數(shù)量意味著好圖像之間的差異，有可能會產(chǎn)生更好的性能，也會帶來質量差的圖像，產(chǎn)生不好的結果。

機器視覺照明應該最大化特征對比，同時最小化其它剩下的對比度，因此讓相機清晰看到部分或標記。高對比度特征簡化集成和提高可靠性；對比度差的圖像和不規(guī)則的照明需要來自系統(tǒng)的更多努力，而且也增加了處理時間。最優(yōu)的照明取決于檢測物體的尺寸，它的表面特征和部分幾何特征和系統(tǒng)需求。具有寬范圍的波長（顏色），視場（尺寸），對于特殊應用需要，就可以靈活的選擇機器視覺照明。

當選擇照明時需要考慮以下五個方面：

1、表面是光滑，還是崎嶇不平？

2、表面是暗淡，還是光亮？

3、對象是彎曲的，還是平坦的？

4、條碼或標記的顏色是怎樣的？

5、是檢測移動的物體，還是靜止的對象？

技巧1：使用亮光去檢測材料缺損

比如在塑料澆注中驗證是否不足

從塑料澆注應用中驗證材料缺損對于確保良好的密封表面是重要的。當有材料缺損時，你有了不足的條件（比如澆注到模型中的材料不充分）。

照明技術：亮場

亮場照明技術依賴表面紋理和平坦地形。光線遇到平坦反光的表面將光線反射回到相機，創(chuàng)立一個亮區(qū)域。粗糙紋理或表面缺損會將光線散射而遠離相機，創(chuàng)立了暗區(qū)域。

技巧2：對于精確組件定位使用合適的波長

比如檢測倒裝芯片（Flipped Chips），在PCB裝配中驗證合適的零件方向是常見的機器視覺應用。

照明技術：亮場

為了驗證裝配問題，使用藍光波長的打亮芯片方位。這個照明技術依靠波長和同軸照明幾何。藍色波長（460 納米）能很好地區(qū)分銀質和銅質表面：銅吸收藍光呈現(xiàn)出暗場，銀反射藍光呈現(xiàn)亮場。同軸照明幾何消除錯誤反射：不想要的耀眼點，反射和暗點。

技巧3：在玻璃中檢測裂痕使用非漫射光

比如檢測玻璃容器上的裂痕

照明技術：暗場

在這個應用當中，用暗場照明來創(chuàng)立一個明亮的，在暗背景下容易檢測的感興趣特征。在一個暗場區(qū)域中光線直接通過透明的瓶子。大多數(shù)穿透透明對象的光線不會被相機檢測到。如果材料不規(guī)則，比如有裂紋，一些光線就會凸顯出這個不規(guī)則。特別是劃痕創(chuàng)立了一個內部空缺，這里光線折射和反射，以許多角度散射包括返回給相機。這些光線將很難檢測的劃痕轉換到暗背景下的亮特征。

技巧4：檢測透明包裝使用漫射光

比如驗證吸塑包裝的內容

照明技術：連續(xù)漫射

連續(xù)的漫射照明技術不強調表面紋理和升高中的變化。它提供了非常大的固定照明角度，從多角度讓光線找到對象上，因此消除了反射和典型的非方向性或單個光源產(chǎn)生的陰影。

技巧5：使用顏色創(chuàng)造對比度

在機器視覺應用中創(chuàng)造一個高對比度圖像的一個有用的方法是用特殊波長（彩色）的光照明物體。對于黑白相機來講，光的波長能使得跟彩色一樣的特征變亮或變暗。使用彩色輪子作為參考，選擇一個相反顏色的光來使得特征變暗；或選相同顏色的光使得特征變亮。

例如：

1. 如果你想變暗的特征是紅色，則使用綠光；

2. 使用綠光能使得綠色特征呈現(xiàn)更亮；

3. 記住鋁上刻印在紅光和藍光下的區(qū)別。

技巧6：針對快速移動的物體使用頻閃光

當物體快速移動成像是模糊時，就需要使用頻閃光。頻閃寬度 = 視場÷ 像素/移動速度

技巧7：消除反射使用紅外光

機器視覺系統(tǒng)依靠數(shù)字圖像中的灰度級轉化。在許多視覺應用當中，環(huán)境光帶來了不想要的亮反射，這樣使得檢測感興趣特征變得困難或不可能。紅外光就能解決這個問題。

技巧8：使用紅外光消除顏色差異

紅外光能用于在彩色對象之間消除灰度差別。暗對象吸收紅外波長，創(chuàng)造出一致性，而其它則呈現(xiàn)陰影。這個照明方案有利于檢測顏色或陰影變化的非一致性。

為機器視覺系統(tǒng)選擇合適的照明方案，需要從多方面來考慮，從這些小技巧中選擇可取的，結合到自己的系統(tǒng)特點中去，相信會事半功倍！

3、光源配件

濾鏡：在鏡頭前面加上濾鏡可以允許一個波段的光通過濾鏡，同時阻斷一定波長的光通過。濾鏡的選型基本步驟如下：

選擇鏡頭口徑尺寸適配的濾鏡尺寸

選擇允許通過光源的波段

選擇合適的濾鏡型號

棱鏡：棱鏡是“一種由兩兩相交但彼此均不平行的平面圍成的透明物體，用以分光或使光束發(fā)生色散”。棱鏡常見的分類方式如下：色散棱鏡、偏轉棱鏡、旋轉棱鏡和偏移棱鏡。使用棱鏡的一個場景是可以幾乎同時看到一個6面體的5個面。

偏光器：在光源的出光位置安裝偏振片，可以將光源發(fā)射的光轉換為線偏振光。在鏡頭前面加上偏振鏡，將其旋轉到合適的方向，可以有效地消除高反光，增強圖像的對比度。實際工業(yè)應用場景中，尤其是在待檢測對象表面光滑高反光的情況下，目標物體表面常常會出現(xiàn)光斑，會嚴重干擾圖像的成像質量，可以使用偏光器提高成像質量。

光源延長線：購買光源之前，最好考慮實際場景，選擇光源延長線作為附件，會為后面省下一些麻煩。

光源控制器：光源控制器有手動調節(jié)方式，也有程序控制方式，可以在視覺算法驗證階段使用手動調節(jié)方式選擇合適的參數(shù)，然后使用程序進行頻閃拍照，常用的控制方式為RS232。

4、光源選型經(jīng)驗

一般來說，光源生產(chǎn)商為了銷售自家的產(chǎn)品，會在產(chǎn)品手冊上標注某光源產(chǎn)品適用的場景，這是從光源到應用場景的一對多的映射。但是從用戶角度而言，更需要根據(jù)實際應用場景縮小光源的選擇范圍，所以，我這里給出應用場景到光源的一對多的映射。

通用需求場景：

二維碼識別：高角度環(huán)形光、同軸光源

損傷和贓物檢測：高角度環(huán)形光

字符識別：高角度環(huán)形光

邊緣識別：低角度環(huán)形光

金屬表面劃傷、損傷檢測：低角度環(huán)形光、低角度漫射無影光源、方形漫射無影光源

高反光表面劃傷檢測：同軸光源

大面積顏色識別：開孔背光

大面積產(chǎn)品定位：開孔背光

尺寸測量：背光源

具體行業(yè)應用場景：

太陽能電池板尺寸測量：導光型背光

芯片、硅片的破損檢測、字符檢測：同軸光源、環(huán)形光源

顯示屏缺陷檢測：同軸光源

電路板字符識別：同軸光源

電路板焊錫檢測：AOI光源

手機類涂膠檢測：同軸光源

手機類背表面缺陷檢測：線光源

液晶面板灰塵檢測：線光源

布匹印花缺陷檢測：線光源

O型圈外觀檢測：低角度環(huán)形光

機器人定位抓取：大顆粒條形光源

汽車行業(yè)零部件的有無檢測：大顆粒條形光源、漫反射條光源

發(fā)動機涂膠檢測：開孔背光

審核編輯：劉清