為什么光源在機器視覺應(yīng)用中非常重要？

機器視覺系統(tǒng)是通過分析來自物品的反射光線而非物品本身來生成圖像的。因此，至關(guān)重要的是，了解光線是如何從我們正在檢測的生產(chǎn)元件上反射出去的。要了解這一點，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。所有這些特點都會影響光線是如何被反射的，并且可能會給高品質(zhì)圖像的創(chuàng)建帶來挑戰(zhàn)。尋找適當(dāng)?shù)墓庠从兄谔幚砜此茝?fù)雜的應(yīng)用，并極大地簡化應(yīng)用。

同時，光源還可能影響計算機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Ρ榷炔詈驼彰鞑痪鶆虻膱D像需要成像計算機花費更多的精力，最終會增加處理時間，并可能增加錯誤圖像分析的次數(shù)。一般來說，對比度高的圖像最容易處理。請考慮上面顯示的圖像（圖1）。良好的圖像處理系統(tǒng)能夠識別兩個圖像中的“+”符號，但識別上面的圖像的可重復(fù)性將降低，這是因為相比下面的圖像，這個圖像的對比度更低。如果適當(dāng)控制照明，機器視覺系統(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時創(chuàng)建的，照射到物品并反射到相機的光線被視為明亮的光線。如果光線從相機上反射回來（或者被物品吸收），該物品將被視為暗物品。機器視覺系統(tǒng)通常專注于亮區(qū)域與暗區(qū)域之間的差異，以得出邊線、質(zhì)地或標(biāo)識的相關(guān)結(jié)論， 這些都是檢驗操作的重要參數(shù)。

光源類型

所采用光線的波長也可能是檢驗過程中的一個重要變量。若采用特殊光線色彩的照明，則更容易區(qū)分對比性色彩，因為它們在圖像中將顯得很暗。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（請注意，如果采用紅外光或紫外光，則應(yīng)當(dāng)在相機上使用濾波器，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)用的特殊問題。市場上提供許多選項，每個選項對于特定的應(yīng)用而言都有優(yōu)點和缺點。目前共有五種基本技術(shù)可用于為待檢驗的元件提供照明：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)造出一個輪廓，以突出元件的形狀，并允許對元件進行測量，但其完全掩蓋了所有表面細節(jié)。其通過生成一 個圖像（大部分為白底黑色元件圖像），產(chǎn)生最大的對比度。檢驗應(yīng)用可以采用這種技術(shù)進行尺寸測量，但對于表面檢驗來說，背光照明是沒有用的。這項技術(shù)的一個挑戰(zhàn)在于夾具難度。任何用于固定待檢驗元件的機械夾具都可能會遮擋背光光線。請考慮下面的例子。

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

漫射光可通過使準直光照射穿過毛玻璃來產(chǎn)生，其減少了光線強度，提供更柔和、更均勻的照明，避免產(chǎn)生眩光或陰影。

檢驗元件時，另一個考慮因素是采集元件圖像時，元件的移動速度，還有相機的曝光時間。這些因素都將影響光源的選擇。

要簡化應(yīng)用，我們必須首先明確目標(biāo)，并專注于重要的檢驗因素。了解目標(biāo)之后，我們可以專注于選擇光源，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，光線從一個稍微偏離中心的角度照射出來。這樣的光源很容易設(shè)置，它 可以創(chuàng)建卓越的對比度，但也可能會創(chuàng)建陰影和產(chǎn)生眩光，這 取決于待檢驗元件的表面。如果圖像存在對比度低的問題，創(chuàng)建陰影可能是需要的，以提升對比度。并且，直接照明可用于通過頻閃凍結(jié)移動。關(guān)于移動光源的效果示例，請考慮下面的圖像。

如果需要最大限度地減少陰影，可以采用一個以上的直接照明裝置。出于這個目的，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直的光源，如激光或光纖線性光源 等。這種技術(shù)提供價格低廉的方式來測量連續(xù)表面的深度和高度，通常在光源或表面移動的情況下使用。另外，它還可以顯示對比度低的元件上的表面細節(jié)。用戶應(yīng)當(dāng)確保待測量的元件不會吸收光線，這是因為為了確保待測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位于同一條線上的元件，光源不會阻礙相機采集圖像。這可以使用 50%鍍銀的反射鏡將光線直接反射到元件上來實現(xiàn)。相機通過反射鏡尋找元件，以采集被照亮元件的圖像。

軸上散射照明應(yīng)用包括檢測光亮、平坦表面上的缺陷，或者檢驗小孔洞內(nèi)部。由于DOAL光源穿過鍍銀反射鏡后損失了強 度，因此，建議采用額外的光源來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，也稱為“陰天照明”或“穹頂照明”。采用這種技術(shù)時，光線不是直接反射到元件上，而是首先反射到一個漫反射面上，然后“ 回彈”到元件上。

離軸漫射照明技術(shù)會消除陰影，就好像我們在陰天查看東西一樣。同時，它還避免產(chǎn)生元件檢驗應(yīng)用中可能引起問題的熱斑或眩光。當(dāng)采用穹頂照明時，如果相機通過反射器圓頂中的一個孔來采集圖像，圖像中央可能會有一個盲區(qū)。因此，當(dāng)使用反射器時，添加一個DOAL光源可能有利于填補該盲區(qū)。

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

始終開啟或頻閃

在機器視覺應(yīng)用中，光源是始終開啟或頻閃的。通過光線頻閃，我們可以增加光線強度，并且光源可以保持更長的使用 壽命，更有用的一項功能是阻止移動。但頻閃需要加以控制。這個時機必須與圖像采集精確協(xié)調(diào)，否則，圖像強度將會有所不同。另外，在使用頻閃照明時，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)計機器視覺系統(tǒng)時，非常重要的一點是，需要考慮機器待安裝區(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、一天中的時間、天氣 和一年中的季節(jié)。當(dāng)您為檢驗系統(tǒng)選擇光源以及設(shè)計機器的安裝布局時，所有這些問題都需要考慮到。

光源

鹵素?zé)羰且环N類型的光源，適用于需要非常明亮光線的應(yīng)用，許多新型汽車前燈都是鹵素?zé)簦@種光源也存在局限 性，事實上，它們無法提供頻閃功能，運行一段時間后會變得 非常熱，并且隨著時間的推移，它們會損失一些強度。如果您 將這種類型的光源用于一個檢驗應(yīng)用，以最大功率的80%運行 有利于延長使用壽命，并保持電壓穩(wěn)定，以避免顏色變化。如 果您的應(yīng)用對其產(chǎn)生的鹵素?zé)崃棵舾械脑挘褂霉饫w光學(xué)元 件，可以將燈具安裝在距離元件較遠的位置。

白熾燈是另一種類型的光源。這類燈泡價格低廉，并且很容易買到，但它們無法提供頻閃功能，容易產(chǎn)生熱量，并且隨著時間的推移，它們會略微損失一些強度。

熒光燈光源價格相對便宜，市場上提供許多形狀和尺寸選擇。這類光源提供漫射光線，最大程度地減少了眩光，局限性包括無法提供頻閃功能，隨著時間的推移，質(zhì)量會下降，并且難以調(diào)節(jié)光線強度。由于交流電源頻率的原因，熒光燈還會出現(xiàn)閃爍，這可能會影響視覺檢驗應(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。

光是一種高度準直的光源，具有高強度，從而可以將它們安裝在距離待檢驗物品一定距離的位置。目前有一種特殊類型的激光，稱為“二極管激光”，可以提供頻閃功能。激光通常用于進行距離測量，有時還進行三維測量，但無法進行高精度測量。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，因為它們可能帶來潛在的安全隱患。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，因為它能夠在很短的時間內(nèi)提供非常高的強度，從而產(chǎn)生 移動停止的印象。但隨著時間的推移，氙氣頻閃的強度會降低，目前市場上很少使用氙氣光源。

一個更好的替代方案是使用二極發(fā)光管（LED）。這類光源是當(dāng)前機器視覺應(yīng)用中最常見的光源。它們具有非常長的使用壽命，超過10000小時，并且提供頻閃功能，還可以連續(xù)開啟，不會產(chǎn)生熱量。同時，LED使用起來非常安全、高效，您可以在市場上找到幾乎任何顏色或特定波長的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，以了解它們對于不同應(yīng)用的適用性。

集成光源

機器視覺用戶可以選擇購買含有集成光源的系統(tǒng)。集成光源簡化了設(shè)置，并突出顯示特殊的元件或特征，無需購買、安裝和供電額外的光源。一些配有集成光源的視覺系統(tǒng)還提供使用軟件控制強度和光線頻閃的額外益處，無需額外的設(shè)備。由于無需外部光源和電源，配有集成光源的系統(tǒng)更容易在生產(chǎn)線上難以到達的空間內(nèi)安裝和使用。同時，集成光源還更加經(jīng)濟實惠。

總結(jié)

市場上有許多光源選項，也有許多不同的視覺系統(tǒng)構(gòu)建和定向方式。選擇適當(dāng)?shù)墓庠纯梢允箼C器的生產(chǎn)率產(chǎn)生顯著的變化。規(guī)劃一套新的自動化檢驗系統(tǒng)時，首先要做的是了解待檢驗的元件——通過檢驗元件，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)點和缺點。選擇適當(dāng)?shù)墓庠春螅?一個決定是如何定位光源，以確保最大的有效性。通過適當(dāng) 的光源組合以及光源相對于元件的安裝方式，相機可以根據(jù) 需要忽略或強調(diào)元件特征，以確保生成清晰、一致的圖像， 從而滿足應(yīng)用的檢驗需求。機器視覺專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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