機(jī)器視覺中的光源起到哪些作用

一套完整的視覺檢測系統(tǒng)主要包含圖像采集部分和圖像分析部分，而圖像采集部分主要有工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭以及機(jī)器視覺光源承擔(dān)，今天我們主要介紹機(jī)器視覺光源的相關(guān)基礎(chǔ)知識及選型技巧。

首先我們需要了解，機(jī)器視覺中的光源起到哪些作用

照亮目標(biāo)，提高亮度；

形成有利于圖像處理的成像效果，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和對圖像處理算法的要求；

克服環(huán)境光干擾，保證圖像穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的精度、效率；

通過恰當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)，可以使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，這樣不僅大大降低圖像處理的算法難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的精度和可靠性，但非常遺憾，目前沒有一個(gè)通用的機(jī)器視覺照明系統(tǒng)，可以應(yīng)對不同的檢測要求，因此針對每個(gè)特定的案例，都需要設(shè)計(jì)適應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果，而不合適的照明，則會引起很多問題，機(jī)器視覺光源如此重要，卻往往被很多人忽視。

目前機(jī)器視覺光源主要采用LED（發(fā)光二極管），由于其形狀自由度高，使用壽命長、響應(yīng)速度快、單色性好、顏色多樣、綜合性價(jià)比高等特點(diǎn)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用：

形狀自由度

一個(gè)LED光源是由許多單個(gè)LED組合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形狀，更容易針對用戶的情況，設(shè)計(jì)光源的形狀和尺寸。

使用壽命長

為了使圖像處理單元得到精確的，重復(fù)性好的測量結(jié)果，照明系統(tǒng)必須保證相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)能夠提供穩(wěn)定的圖像輸入。LED光源在連續(xù)工作10,000到30,000小時(shí)后，亮度衰減，但遠(yuǎn)比其他型式的光源效果好。此外，用控制系統(tǒng)使其間斷工作，可抑制發(fā)光管發(fā)熱，壽命也將延長一倍。

響應(yīng)速度快

LED發(fā)光管響應(yīng)時(shí)間很短，響應(yīng)時(shí)間的真正意義是能按要求保證多個(gè)光源之間或一個(gè)光源不同區(qū)域之間的工作切換，采用專用控制器給LED光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間小于10s

顏色多樣

除了光源的形狀以外，得到穩(wěn)定圖像輸入的另一方面就是選擇光源的顏色。甚至相同形狀的光源，由于顏色的不同得到的圖像也會有很大的差別。實(shí)際上，如何利用光源顏色的技術(shù)特性得到最佳對比度的圖像效果一直是光源開發(fā)的主要方向。

綜合性運(yùn)營成本低

選用低廉而性能沒有保證的產(chǎn)品，初次投資的節(jié)省很快會被日常的維護(hù)、維修費(fèi)用抵消。其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍，而且?guī)缀趺吭戮鸵鼡Q，浪費(fèi)了維修工程師許多寶貴的時(shí)間。而且投入使用的光源越多，在器件更換和人工方面的花費(fèi)就越大，因此選用壽命長的LED光源從長遠(yuǎn)看是很經(jīng)濟(jì)的。

機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識——

01

照射方式

選擇不同的光源，控制和調(diào)節(jié)照射到物體上的入射光的方向是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本的參數(shù)，它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置，一般來說有二種最基本的方式：直射光和漫射光，所有其它的方式都是從這二種方法中延伸出來的。

直射光：入射光基本上來自一個(gè)方向，射角小，它能投射出物體陰影；

漫射光：入射光來自多個(gè)方向，甚至于所有的方向，它不會投射出明顯的陰影。

02

反射方式

物體反射光線有兩種不同的反射特性：直反射和漫反射

直反射：光線的反射角等于入射角。直反射有時(shí)用途很大，有時(shí)又可能產(chǎn)生極強(qiáng)的眩耀。在大多數(shù)情況應(yīng)避免鏡面反射。

漫反散：照射到物體上的光從各個(gè)方向漫散出去。在大多數(shù)實(shí)際情況下，漫散光在某個(gè)角度范圍內(nèi)形成，并取決于入射光的角度。

03

顏色

光譜中很大的一部分電磁波譜是人眼可見的，在這個(gè)波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光，范圍在400nm至760nm之間（有的人可以觀測到380nm-780nm），即從紫色380nm到紅色780nm。

色環(huán)就是在可見光光譜中的色彩進(jìn)行排序，形成紅色連接到另一端的紫色，機(jī)器視覺種應(yīng)用到色環(huán)通常包括6種不同的顏色，分為兩大類：暖色和冷色，暖色由紅色調(diào)構(gòu)成，冷色來自于藍(lán)色調(diào)，通常用相反色溫的光線照射，圖像可以達(dá)到最高級別的對比度，相同色溫的光線照射，可以有效濾除，因此靈活利用色溫特性，對我們選擇光源很有幫助。

04

明視場和暗視場

明視場是最常用的照明方案，采用正面直射光照射形成，而暗視場主要由低角度或背光照明形成，對于不同項(xiàng)目檢測需求，選擇不同類型的照明方式，一般來說暗視場會使背景呈現(xiàn)黑暗，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮。

05

光源分類

目前主要有以下集中分類方式：

a）顏色

常用光源顏色集中在可見光范圍，主要有白光（復(fù)合光）、紅色、藍(lán)色、綠色，另外紅外光也比較普及，而紫外光由于各種原因，應(yīng)用較少；

b）外形

各廠家會根據(jù)不同光源外形特性進(jìn)行分類，也是目前的主流分類，比如環(huán)形光源、環(huán)形低角度光源、條形光源、圓頂光源（碗光源/穹頂光源）、面光源等；

c）工作原理/特性

不同的應(yīng)用方式或者原理進(jìn)行分類，主要有無影光源、同軸光源、點(diǎn)光源、線光源、背光源、組合光源以及結(jié)構(gòu)光源等。

編輯：黃飛