機器視覺(jué)系統光源選型技巧及應用案例

　　用一句常說(shuō)的話(huà)來(lái)開(kāi)頭：機器視覺(jué)是用機器代替人眼來(lái)做測量和判斷；機器視覺(jué)系統主要包含相機、鏡頭、光源、圖像處理系統和執行機構。而光源作為其中重要組成部分，直接關(guān)系到系統的成敗。

　　為什么這樣說(shuō)呢，在視覺(jué)系統中圖像是核心，選擇合適的光源能夠呈現一幅好的圖像，能夠簡(jiǎn)化算法提高系統穩定性，一幅圖像如果曝光過(guò)度則會(huì )隱藏很多重要的信息；出現陰影則會(huì )引起邊緣誤判；圖像不均勻則會(huì )導致閾值選擇困難。因此要保證有較好的圖像效果，就必須要選擇一個(gè)合適的光源。

　　機器視覺(jué)涉及行業(yè)廣泛包含電子、汽車(chē)、包裝、印刷、食品、醫療等。因而我們面臨的檢測產(chǎn)品也是多種多樣:形狀大小不同、顏色材質(zhì)不一、檢測環(huán)境和指標各異。面對種類(lèi)繁多要求各異的檢測產(chǎn)品如何選擇光源呢，我們先來(lái)看一下常見(jiàn)的光源特性。

　　目前理想的視覺(jué)光源有高頻熒光燈、光纖鹵素燈、氙氣燈、LED光源。應用最多是LED光源，這里就詳細介紹幾種常見(jiàn)的LED光源。

　　1.環(huán)形光源

　　LED燈珠排布成環(huán)形與圓心軸成一定夾角，有不同照射角度、不同顏色等類(lèi)型，可以突出物體的三維信息；解決多方向照明陰影問(wèn)題；圖像出現燈影情況可選配漫射板，讓光線(xiàn)均勻擴散。應用：螺絲尺寸缺陷檢測，IC定位字符檢測，電路板焊錫檢查，顯微鏡照明等。

　　2.條形光源

　　LED燈珠排布成長(cháng)條形。多用于單邊或多邊以一定角度照射物體。突出物體的邊緣特征，可根據實(shí)際情況多條自由組合，照射角度與安裝距離隨有較好自由度。適用較大結構被測物。應用：電子元件縫隙檢測，圓柱體表面缺陷檢測，包裝盒印刷檢測，藥水袋輪廓檢測等。

　　3.同軸光源

　　經(jīng)面光源采用分光鏡設計。適用于粗糙程度不同、反光強或不平整的表面區域，檢測雕刻圖案、裂縫、劃傷、低反光與高反光區域分離、消除陰影等。需要注意的是同軸光源經(jīng)過(guò)分光設計有一定的光損失需要考慮亮度，并且不適用于大面積照射。應用：玻璃和塑料膜輪廓和定位檢測，IC字符及定位檢測，晶片表面雜質(zhì)和劃痕檢測等。

　　4.圓頂光源

　　LED燈珠安裝在底部通過(guò)半球內壁反射涂層漫反射均勻照射物體。圖像整體的照度十分均勻，適用反光較強金屬、玻璃、凹凸表面、弧形表面檢測。應用：儀表盤(pán)刻度檢測，金屬罐字符噴碼檢測，芯片金線(xiàn)檢測，電子元件印刷檢測等。

　　5.背光源

　　LED燈珠排布成一個(gè)面（底面發(fā)光）或者從光源四周排布一圈（側面發(fā)光）。常用于突出物體的外形輪廓特征，適用于大面積照射，背光一般放置于物體底部需要考慮機構是否適合安裝，在較高的檢測精度下可以加強出光平行性來(lái)提升檢測精度。應用：機械零件尺寸及邊緣缺陷的測量，飲料液位及雜質(zhì)檢測、手機屏漏光檢測，印刷海報缺陷檢測，塑料膜邊緣接縫檢測等。

　　6.點(diǎn)光源

　　高亮LED，體積小，發(fā)光強度高；多用在配合遠心鏡頭使用，一種非直接同軸光源，檢測視野較小。應用：手機內屏隱形電路檢測，MARK點(diǎn)定位，玻璃表面劃痕檢測，液晶玻璃底基校正檢測等

　　7.線(xiàn)光源：

　　高亮LED排布，采用導光柱聚光，光線(xiàn)呈一條亮帶，通常用于線(xiàn)陣相機，采用側向照射或底部照射，線(xiàn)光源也可以不使用聚光透鏡讓光線(xiàn)發(fā)散，增加照射面積也可在前段添加分光鏡，轉變?yōu)橥S線(xiàn)光源。應用：液晶屏表面灰塵檢測，玻璃劃痕及內部裂紋檢測，布匹紡織均勻檢測等。

　　LED光源設計自由度高，能夠滿(mǎn)足不同的檢測需求，是目前主流的視覺(jué)光源。在面對一些實(shí)際檢測物體時(shí)我們應該建立怎樣一種打光思路選擇到合適的光源呢，以下面幾個(gè)實(shí)際案例來(lái)說(shuō)明

　　案例1：人民幣防偽標記檢測

　　彩色相機白色光源彩色相機紫外光源

　　選型分析: 目標表面有多重顏色；防偽區域有紫外顯示特性,人眼可辨。但在黑白相機下就存在較大干擾，無(wú)法呈現優(yōu)質(zhì)圖像。

　　黑白相機紫外光源紫外光源加濾光片

　　黑白相機下存在的干擾，防偽區域并非是無(wú)法顯示的，濾除非目標區的反光后，就可以實(shí)現圖像優(yōu)化。合理使用濾光鏡、偏振鏡能夠解決圖像顏色干擾和表面反光。

　　案例2：藥盒生產(chǎn)日期字符檢測

　　選型分析:產(chǎn)品表面平滑，較反光。字體為黑色，可考慮使背景變白來(lái)突出與黑色字符的對比性。主要考慮使用的光源類(lèi)型有條形光，環(huán)形光，同軸光。因產(chǎn)品較大，暫時(shí)排除同軸光。試用條形、環(huán)形光源。

　　選擇好合適的光源類(lèi)型，然后根據產(chǎn)品顏色選擇光源的發(fā)光顏色。

　　白色條形光效果白色環(huán)形光效果

　　藍色條形光效果白色條形光效果

　　紅色條形光效果綠色條形光效果

　　藥盒本身顏色為綠色，使用綠色條形光源不僅讓圖像更加均勻也能夠讓背景在黑白相機下呈現較高灰度值與黑色字符部分形成有效對比，實(shí)現檢測目的。

　　案例3：煙盒表面反光消除

　　選型分析:產(chǎn)品表面有較強反光，要使煙盒整體均勻一致，光源需要保證每個(gè)方向都能夠照射和強度一致。

　　條形光源效果1條形光源效果2

　　環(huán)形無(wú)影光源效果圓頂+同軸組合效果

　　應對反光產(chǎn)品選用均勻性較好的光源，如果單獨光源不可實(shí)現效果，可考慮使用多種光源組合打光，保證整體區域均勻一致。

　　案例4：啤酒罐底部字符識別

　　選型分析:金屬圓弧，光照下呈現各角度不同反光，既要保證圖像整體均勻也需要突出字符，對光源大小和角度有較高要求。

　　環(huán)形光效果同軸光效果

　　圓頂+同軸效果大開(kāi)孔環(huán)形光光效果

　　字符與弧面有一定高度差，兩者之間過(guò)度非平滑。利用特征，讓光線(xiàn)從側邊投射到表面，表面不形成強反光，字符區域反光突出。

　　案例5：電池極芯位置檢測

　　選型分析:頂部金屬存在不同位置和形態(tài)，與底部包層有一定距離。包層是白色，會(huì )存在一定反光。需要考慮產(chǎn)品方向和引腳位置。

　　環(huán)形光源效果平面無(wú)影光源效果

　　條形光源效果低角度環(huán)形光源效果

　　選用環(huán)形光源保證電池在不同方向上都能夠保證圖像一致，利用引腳與底面的高度差，光線(xiàn)低角度射向產(chǎn)品，金屬部分出現較強反光，很好的與底部分離。

　　建立一個(gè)有效的打光思路能夠快速評估判斷產(chǎn)品能夠通過(guò)哪種光源有效解決問(wèn)題，根據被測物基本信息、安裝條件等預判出哪種光源照射目標區域是亮或暗，能更好的實(shí)現軟件算法。打光過(guò)程中光源要靈活的使用，通過(guò)調整高度、角度，選取不同類(lèi)型的光源多做嘗試。

　　最后總結一些光源選擇基本原則

　　1.根據檢測產(chǎn)品特征選擇，一般選擇光源的大小要比產(chǎn)品大，這樣照射的光線(xiàn)才能覆蓋到整個(gè)產(chǎn)品；選擇的光源的形狀接近產(chǎn)品形狀，可以讓整個(gè)產(chǎn)品區域光照強度一致；光源顏色選擇是要能夠讓檢測目標與背景有一定對比度，在黑白相機下使用與產(chǎn)品目標區域顏色接近的光源能夠該區域呈現更高的灰度，反之則呈現較低灰度；如果產(chǎn)品表面反光較強可以選用均勻性更好的無(wú)影光源，目標特征不明顯則選用指向性或平行性更好的光源。

　　2.根據機構要求，光源能夠滿(mǎn)足設備的安裝空間，產(chǎn)線(xiàn)的速度快就需要選擇亮度更高的光源；在特殊環(huán)境（潮濕、高溫）就需要考慮光源性能（防水、散熱）。

　　3.實(shí)際測試，光源照射能夠呈現有效對比度，也要保證各個(gè)區域的均勻性。一般在檢測區域目標和背景一個(gè)接近255灰度的峰值，這個(gè)時(shí)候對比度一般最高加強或減弱光源亮度都會(huì )影響對比度差值。當出現較好對比圖像時(shí)一定要把檢測物體放在視野內的各個(gè)位置看看圖像是否一致，這樣才能保證在實(shí)際環(huán)境中的穩定性。

　　本文主要介紹一些常見(jiàn)的光源和光源選型需要建立的想法，機器視覺(jué)自身也在不斷發(fā)展和完善，隨著(zhù)時(shí)間的推移機器視覺(jué)也將會(huì )在未來(lái)的制造企業(yè)中得到更加廣泛的應用。

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