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机器视觉开发基础知识之光源照明概述入门

  在一幅机器视觉的图像中,对比度代表着图像信号的质量,它反应了两个区域间的差别,比如物体和背景的差别。因此,设计光源照明的第一步是确定区域间的不同,通过合适的光源设计可以使图像中的目标信息与背景信息最佳分离。

  一般情况下,如果使用黑白相机,又对被测物体的颜色选择没有特殊的要求,红色是比较合适的选择。因为红色LED寿命长、稳定、价格低廉,更重要的是红色LED的波长更接近传感器的灵敏度峰值,而通常的CCD对紫色、蓝色的光敏感程度没有红光强。如果进行彩色成像,则通常考虑使用白色光源。

  此外,选择最佳的光源方案,还需要综合考虑光源的强度、偏振、均匀度、方向、大小、形状、漫射光、平行光、背景、颜色、色温、工作距离、角度、物体大小、发光器件等。对于每种不同材质特征的被检测物品,机器视觉工程师通常需要选择不同的照明方式,才能得到理想的产品图像特征,甚至有是有需要不断的研究探讨,选择多种光源组合的方式来达到检测要求。

  在LED灯大量普及之前,还有荧光灯,卤素灯等等类型,高频荧光灯的热扩散性能更好,而卤素灯的亮度更高。

  但综合考虑,LED灯整体性能要更为优异。LED灯由LED灯珠组合设计而成,具有以下多种优点:

  一个好的打光方案是一个优秀的机器视觉项目的开始,打光可以使我们得到一个对比度更强,噪声更小,鲁棒性更高的拍摄环境,获取更为优质的源图像,得到事半功倍的效果(如下图OCR识别)。

  光源除了类型不同,还有各种各样的形状与设计,比如条形光源,环形光源,背光源(面光源)等等。

  条形光源由LED排成直线组合而成,照度高,光源指向性强,照明效果也符合直线型规律;采用特殊光学透镜,有效改变LED照射角度;采用标准模具成型、拼接安装,结构稳定;可选漫射版导光,光线均匀;尺寸、颜色可以根据实际需求定制。可用于电子元件识别与缺陷检测,文字、形状识别等。

  环形光源分为垂直照射环形光源,角度照射环形光源,低角度环形光源,无影环形光源等等,可结合后续打光方式进行分析。

  背光源使用超高亮度LED进行正面垂直照射,提供红、绿、蓝、白、红外、紫外等颜色;经过特殊导光材料优化光路,平行性好;适合外观检测,或者尺寸测量。可安装于底部背光源和侧部背光源表面。

  同轴光源采用特殊照明设计,达到高均匀性;特殊导热材料,散热好,稳定性高;使用分光镜头,提供优质光学效果。广泛用于半导体、PCB板、以及金属零件的表面成像检测,具有很好的均匀性,对光洁表面上的异常特征成像突出,表现力好。

  然后我们看打光方式。不得不知道的几种打光方式,包括亮场照明,暗场照明,前向光漫射照明,背光照明,同轴光照明等等。

  如上左图,一个环形光源以大于45度的入射角度照射工件,光线将直接射入到相机镜头中,在相机看到的画面中,工件整个表面都将被照亮,即为亮场照明,也叫前向光直射照明,示例如下图。

  与亮场照明相对应的即为暗场照明,暗场照明中光线度的入射角度照射工件,暗场照明拍摄到的工件的边缘、划痕等变化梯度大的地方将会非常明显,为什么呢?

  如上图,光源在侧面以较小的入射角射向工件表面(蓝色的线),相机处于工件的正上方。对于工件平整的区域,光线将会以同样小的出射角被反射出去,而凸起或者凹陷等部位,将会把光线反射到位于工件正上方的相机镜头内。从而实现了对边缘、划痕等的敏感效果。

  漫射照明同样利用了光的反射原理。采用上图两种打光方式,可以使工件表面有来自各个方向的光,从而可以达到消除阴影或者消除眩光的效果。

  背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同,因为该打光方式关注的不是反射光而是入射光。

  背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候,物体表面特征可能会丢失。例如,可以应用背光技术测量硬币的直径,但是却无法判断硬币的正反面。但是却可以清晰的捕获轮廓。

  背光照明适用于零件的尺寸检测,外观检测,以及透明物体的轮廓检测。如下图香水瓶的液位检测(香水瓶后面即为矩形背光源)。

  在香水瓶的液位检测中,左侧为880nm的绿光,右侧为470nm的蓝光。虽然打光方式都为背光照明,但因香水瓶的材质不同波长的效果也不同。因此在设定打光方案时还要考虑光的颜色等因素。

  同轴光源利用一片分光镜,可以实现以90度垂直的入射角照射被测物体并以垂直的角度反射光线。这种打光方式可以消除物体表面的不平整引起的阴影,从而减少干扰,还可以消除反光,提高成像清晰度,使光均匀照射物体表面。

  同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮,因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头,从而造成表面较暗。

  如下图所示,同轴光照明对瓶口检测有着非常显著的效果,左图为完整瓶口,有图为有缺口的瓶口。

  照明技术是一门科学,并非简单一个打光就可以完美解决的,在实际项目中应该从多个角度,如光的反射,光波的穿透性,光的颜色等多个方面去考虑达到预期的效果。

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