機(jī)器視覺照明揭秘

一個成功的機(jī)器視覺應(yīng)用的照明部分的任務(wù)已被稱為一些科學(xué)和其他藝術(shù)。但幾乎所有人都同意，正確的照明對任何機(jī)器視覺項(xiàng)目的成功都有很大的影響。大多數(shù)專家說，圖像的質(zhì)量有助于超過80%的任何機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。這是不奇怪的，那么，在一個精心設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，照明起著巨大的作用，而照明源可能是最重要的組件之一，考慮在應(yīng)用程序中。

任何特定機(jī)器視覺任務(wù)的照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)是創(chuàng)建的功能，是重要的檢查和背景之間的對比度。一個特征可能是一個被定位或測量的對象，或一個被檢測的缺陷。當(dāng)此功能與背景對比度，或信噪比，是非常高的，所得到的圖像處理和分析將產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。對于裝配驗(yàn)證，將有更少的虛假拒絕和虛假接受，因?yàn)橛休^少的特征模糊。在計(jì)量中，所得到的測量精度會更好。在許多情況下，處理速度實(shí)際上會更好，因?yàn)檩^少的預(yù)處理和其他操作的圖像時，所需的目標(biāo)特征是在高對比度的背景下明確定義的背景。

一個同樣重要的考慮一部分的照明是保持一致性的照明從一個圖像到下一個。不一致的照明的兩個關(guān)鍵因素是部分介紹和環(huán)境光。當(dāng)照射的表面物體改變位置或角度的攝像頭，反射光，表面也改變了方向。這些反射光的變化可能會導(dǎo)致在一個顯著不同的圖像到達(dá)相機(jī)，和不一致的結(jié)果在處理。

這種白光LED頻閃燈是用來捕捉高速運(yùn)動。不一致的部分表現(xiàn)可能成功地克服與適當(dāng)?shù)恼彰?，但在所有情況下，這是一個好主意，對于機(jī)器視覺應(yīng)用部分的位置盡可能限制由于錯位的部分可能對超出成像中的應(yīng)用等方面的不利影響。

環(huán)境光是由被檢查的部分反射出來的光，來自于特定于機(jī)器視覺應(yīng)用程序的照明組件以外的其他來源。它可能是植物中的頂上的光，或是通過一扇窗戶或天窗照射的太陽。環(huán)境光是不一致的性質(zhì)，和環(huán)境光的影響，在一個應(yīng)用程序通常是戲劇性的和負(fù)面的。如果可能的話，機(jī)器視覺成像的專用照明源必須克服，或顯著的比，環(huán)境光源。通常，環(huán)境光是太強(qiáng)或不可預(yù)測的，和檢查區(qū)域必須被籠罩，以阻止環(huán)境光。這是幾乎從來沒有接受使用環(huán)境光單獨(dú)為機(jī)器視覺應(yīng)用；成本的專用照明和護(hù)照 ，在適當(dāng)?shù)那闆r下，將重復(fù)償還的一致性和可靠性的檢查結(jié)果。

一個額外的任務(wù)，往往是委托給在機(jī)器視覺的照明是停止或凍結(jié)的一部分的運(yùn)動。某些光源可閃現(xiàn)或選通時間很短。移動部分照明只有微秒，使其出現(xiàn)相機(jī)不動。

有了這樣的理解，為什么照明是如此重要的機(jī)器視覺應(yīng)用，并有針對性的目標(biāo)時，指定機(jī)器視覺的照明，考慮一些基本的實(shí)施原則。

低角度的光照效果，有時被稱為暗場照明，顯示。邊緣和邊緣缺陷突出。

 

基礎(chǔ)知識

任何圖像都是通過物體的光反射而產(chǎn)生的，并通過光學(xué)傳遞到攝像機(jī)。光學(xué)元件透鏡、濾波器、棱鏡路徑的光所產(chǎn)生的影像到相機(jī)可以科學(xué)地預(yù)測和精確建模。因此，規(guī)范和選擇的透鏡和其他光學(xué)部件可以很容易地完成，使用完善的公式。然而，不幸的是，沒有可比的一組的公式或規(guī)則，可以遵循的選擇和實(shí)施的光源，雖然某些科學(xué)原則的光的行為允許一個估計(jì)正確的照明技術(shù)。

當(dāng)評估機(jī)器視覺的正確照明時，反射是工作原理。反射的規(guī)則是，反射的角度總是等于入射的角度。換言之，當(dāng)光束在一個特定的角度照射一個表面點(diǎn)時，光束的任何部分都會在同一個角度遠(yuǎn)離點(diǎn)，但在相反的方向。鏡子是一個幾乎完美的反射鏡，這個概念的一個很好的例子。相對于鏡的表面的45度角的一個角度指向的光將從原來的點(diǎn)源的45度反射鏡反射鏡。

當(dāng)然，大多數(shù)表面都不是完美的反射鏡。此外，大多數(shù)光源產(chǎn)生的光是由散射光波構(gòu)成的。    

因此，單獨(dú)的光束，因此，根據(jù)表面性質(zhì)的不同的角度反射的表面。在一般情況下，從一個表面的反射被歸類為鏡面或漫反射，并在事實(shí)上，許多對象將有多個表面，或區(qū)域上的一個單一的表面具有不同的反射特性。

 當(dāng)一個表面的表面引起光的光束被打破或擴(kuò)散時，會發(fā)生漫反射。只有一部分的原始光束的強(qiáng)度得到反射到相機(jī)，其余的去在不同的方向。鏡面反射發(fā)生在光線投射到表面的光線在一個接近原光束強(qiáng)度的亮度水平上反射到相機(jī)中。

供參考，大多數(shù)人類用眼睛看的是漫反射。這是部分原因是在辦公室，家庭或自然的漫反射表面。它也有一部分是因?yàn)樵谌粘Ｉ钪械拇蟛糠止庠炊际歉叨确稚⒌?，如熒光燈的開銷，或陰天。偶爾，一些高度鏡面反射表面的明亮閃爍可見，而現(xiàn)場經(jīng)常站出來，抓住一個人的眼睛。請注意，這個高光的亮點(diǎn)往往是不受控制的和不良的。

表面顏色對光的反射也有很大的影響。顏色是一個特定波長的光的結(jié)果，從一個表面反射，和所有其他的光被吸收的波長。如果一個物體看起來是紅色的，例如，它僅僅是因?yàn)榧t色的光從表面反射回來。如果光照在物體上不包含任何紅色光波，那么就不會有來自表面的反射，物體將是深灰色或黑色。通過選擇一個特定顏色的光源，對比度可以被操縱與照明時，目標(biāo)特征具有一致的顏色屬性。在某些機(jī)器視覺應(yīng)用中使用的顏色可能甚至不可見的人的眼睛。使用紫外線（紫外線）或紅外線（紅外線）照明來產(chǎn)生一個機(jī)器視覺相機(jī)可見的圖像，這是不尋常的。

用于激光的結(jié)構(gòu)照明用于輪廓表面缺陷。

 

光源

機(jī)器視覺的照明光源有很大的不同，從熒光燈到專門的燈，旨在補(bǔ)充具體的檢查應(yīng)用。為機(jī)器視覺設(shè)計(jì)的照明單位是現(xiàn)成的；對于每個人，除了成像專業(yè)人士設(shè)計(jì)的照明，例如，一個原始設(shè)備制造商的應(yīng)用程序，沒有必要使用任何其他比現(xiàn)成的組件。

由發(fā)光二極管（LED）陣列制成的光源似乎是最廣泛使用的機(jī)器視覺照明和良好的原因。這些小的聚焦燈有多種顏色，多種尺寸，可分為形狀如環(huán)形燈、線性光源和聚光燈。從LED陣列的光是定向的和集中的，而不是擴(kuò)散。在一個LED陣列中的單個燈的目的是提供在特定的角度照明，并在每個LED的透鏡成型可以選擇提供在不同的傳播角度的光。為了使一個LED陣列的一個更彌漫性的源，一個半不透明的擴(kuò)散是放置在前面的LED。

LED最后一個很長的時間，在多年來衡量。當(dāng)LED降解時，它會很快，所以沒有很長一段時間的光的應(yīng)用程序的質(zhì)量正在慢慢減少。然而，LED是非常容易受到熱損傷，他們產(chǎn)生了很多自己的和高溫顯著減少輸出和壽命。LED可以作為選通燈，事實(shí)上，他們可以更明亮，有一個更長的壽命時，以這種方式使用。然而，LED光源，不像一些其他可用的照明方法一樣明亮，它是很難實(shí)現(xiàn)它們時，照明非常大的領(lǐng)域。即使擴(kuò)散，光有很強(qiáng)的方向性。

熒光燈是可行的許多機(jī)器視覺應(yīng)用。一個熒光光源產(chǎn)生一個真正的漫反射光。雖然熒光燈的出現(xiàn)主要是白色的眼睛，熒光光源的顏色變化所使用的管的類型。事實(shí)上，熒光燈是由“尖峰”的顏色，結(jié)合起來，使什么看起來像白光。熒光燈通常是最便宜的光源。通過設(shè)計(jì)，熒光燈閃爍在和關(guān)閉的速率固定的電子驅(qū)動的光。

當(dāng)使用熒光燈時，選擇一個是專門為機(jī)器視覺設(shè)計(jì)的。這些燈用鎮(zhèn)流器驅(qū)動高速的燈在25到90千赫。任何比這更慢的東西會引起與相機(jī)的干擾，并使光強(qiáng)度不一致。熒光燈有一個合理的壽命，在幾個月，但應(yīng)取代之前，失敗，因?yàn)樗麄兟亟到?。熒光的來源有時是很難使用的某些部分，不能選通和沒有做好當(dāng)一個定向，非漫射光源是必要的。

應(yīng)注意的另一種光源是光纖導(dǎo)光燈，通常用石英鹵素?zé)簦饘冫u化物燈恒源或氙氣閃光燈光源照明。光纖導(dǎo)光可配置成各種形狀，并幾乎一樣方便使用LED燈。從光纖波導(dǎo)的光是高度定向的，而不是彌漫性的，但光的亮度和顏色的一致性一般優(yōu)于其他來源。然而，燈的壽命是令人沮喪的，有時測量在小時。盡管有一個閃光燈，光的短占空比會導(dǎo)致更長的壽命。

LED燈陣列和光纖導(dǎo)光燈可以集中使用鏡頭或其他光學(xué)。從大多數(shù)的光源可以用濾光片、偏振片改性以獲得不同的效果。

LED線燈用線掃描相機(jī)的Web檢查。在這種情況下，使用藍(lán)色的光，以提供對比度的互補(bǔ)色的缺陷。

 

照明技術(shù)

武裝與知識的基礎(chǔ)上的光源和反射率和顏色的表面上的知識，并與機(jī)器視覺照明的目的是創(chuàng)建目標(biāo)特征和背景之間的對比，它是時間來實(shí)現(xiàn)一個照明設(shè)計(jì)。這就是科學(xué)讓位給藝術(shù)的地方。

任何機(jī)器視覺的照明布局是特定于應(yīng)用的。一個光源指向一個對象的方式?jīng)Q定了該對象上的哪些功能是明亮的照明和哪些功能不是。

有三個基本方向，從中可以被定向到一個表面上。一個是在那里的光來自一個高的照明角度，或低的入射角，幾乎垂直于表面的一部分，有時被稱為明亮的場照明。有了這種技術(shù)，大部分的定向光從表面反射回來的相機(jī)。當(dāng)使用一個非漫光源時，這種技術(shù)可能會產(chǎn)生陰影和眩光，但在某些情況下，它是理想的有陰影創(chuàng)建邊緣對比度。隨著一些表面，并具有足夠高的角度，可以減少陰影和邊緣進(jìn)一步增強(qiáng)。一個彌漫性的源或定向源與擴(kuò)散從這個高的照明角度可以創(chuàng)建甚至照明的許多部分，以最小的眩光，但有時具有不太明顯的表面特征。

為暗視場照明，但這不是一個準(zhǔn)確的描述這個角度的照明的可見光結(jié)果。在這個低角度的照明，平坦的表面將反射較少的光回到相機(jī)，和一些結(jié)構(gòu)上的平坦表面上的對象可能會創(chuàng)建一些鏡面反射，甚至可能產(chǎn)生的陰影，這兩者都可以被捕獲的相機(jī)的功能。

LED燈作為照明不斷彌漫。這種類型的光穹頂提供了陰影和無眩光的照明，即使在高光部分。

從最后一個方向，光可以照亮一個對象是從后面，與對象直接瞄準(zhǔn)在光和對象的輪廓對照明的背景。此方法創(chuàng)建不同的尖銳棱角的物體輪廓，適合高精度測量或部分的位置。當(dāng)然，這種類型的光，沒有表面特征是可見的。

此外，也有一些普遍認(rèn)可的特殊照明技術(shù)，可能是適當(dāng)?shù)奶囟☉?yīng)用。這些措施包括使用結(jié)構(gòu)光，軸（軸向）照明和恒定的漫反射照明。

成功的照明機(jī)器視覺應(yīng)用程序顯然是基于科學(xué)的原則，但也需要在最終實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)和藝術(shù)。

這是很難準(zhǔn)確地預(yù)測一個特定的表面將如何響應(yīng)一定的照明技術(shù)與一定的光源，但一個好的地方開始是一個受過教育的猜測來自這個基本信息。最好總是測試一個照明技術(shù)和組件，并為此，供應(yīng)商提供這些組件可以是一個很好的資源。

 

技術(shù)提示

大多數(shù)專家說，圖像的質(zhì)量有助于超過80%的任何機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。

當(dāng)評估機(jī)器視覺的正確照明時，反射是工作原理。

機(jī)器視覺的照明光源有很大的不同，從熒光燈到專門的燈，旨在補(bǔ)充具體的檢查應(yīng)用。