機(jī)器視覺(jué)光源選型要點(diǎn)有哪些

機(jī)器視覺(jué)光源是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它的選擇直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒(méi)有通用的機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的打光選型視覺(jué)光源裝置，以達(dá)到最最佳的應(yīng)用效果。

    許多工業(yè)用的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)用可見(jiàn)光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光容易獲得，價(jià)格低，并且便于操作。常用的幾種可見(jiàn)光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源不穩(wěn)定。會(huì)受到各種因素的影響，使得光能不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是使用過(guò)程中急需要解決的問(wèn)題。在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于某些要求高的檢測(cè)任務(wù)，常采用ｘ射線(xiàn)、超聲波等不可見(jiàn)光作為光源。 但是在一般的應(yīng)用中，首選LED機(jī)器視覺(jué)光源。

    奮華自動(dòng)化的高工在下面介紹一下LED機(jī)器視覺(jué)光源的使用性能優(yōu)勢(shì)。

    一、LED機(jī)器視覺(jué)光源的特點(diǎn) ：

    a、使用壽命長(zhǎng)，一萬(wàn)到三萬(wàn)小時(shí)左右，大大高于其它照明系統(tǒng)，如使用開(kāi)關(guān)控制間歇使用可抑制溫度升高，LED壽命更長(zhǎng)。。

    b、LED光源據(jù)有靈活的外形設(shè)計(jì)，它是由很多個(gè)LED顆粒擺列組成，可以根據(jù)具體使用環(huán)境，組成不同形狀不同角度的光源。與其它照明系統(tǒng)相比在照射范圍、照射角度和平行度等設(shè)計(jì)方面具有強(qiáng)大的自由，以滿(mǎn)足多樣化的需求。

    c、顏色可選，LED顆粒有不同的顏色不同的波長(zhǎng)，用戶(hù)可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的特征選用不同波長(zhǎng)的光源，以突出檢測(cè)特征從而達(dá)到理想的效果。

    d、穩(wěn)定性好，LED光源相對(duì)其他光源來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，更加有利于為系統(tǒng)提供高品質(zhì)的圖像。

    e、反應(yīng)速度快，當(dāng)圖像采集需多個(gè)光源相互切換時(shí)LED的快速響應(yīng)就體現(xiàn)出來(lái)了，LED可在10微秒達(dá)到最大亮度。

    f、運(yùn)行成本低，一個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)或設(shè)備其日常運(yùn)行及維護(hù)是非常重要，其它的照明光源不僅要耗費(fèi)LED數(shù)倍的電量且有時(shí)每個(gè)月都需更換光源，耗時(shí)耗財(cái)，因此安裝使用LED照明系統(tǒng)將會(huì)在成本及性能方面也體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。

    二、LED光源的照明方式

    a：由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。

    b：其中，背向照明是被測(cè)物放在光源和相機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像，LED面光源和平行光源是這樣使用的，常用來(lái)突出產(chǎn)品的輪廓，比如工件的尺寸測(cè)量就是使用這種方法。

    d：前向照明是光源和相機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，這種方式便于安裝，比如條形光源，同軸光源，環(huán)形光源，圓頂光源，線(xiàn)光源等都是使用這樣的用法，這是最常用的照明方式。

    e:結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線(xiàn)光源等投射到被測(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)物的三維信息，這種方式比較少見(jiàn)。

    f:頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，要求相機(jī)的掃描速度與光源的頻閃速度同步，目前頻閃照明方式一般都用光源的控制器控制光源達(dá)到頻閃的功能，頻閃的工作方式可以大大提高光源的亮度和壽命，幾乎所有的LED光源都可以使用頻閃照明方式。

    三、LED光源的性能

    在實(shí)際運(yùn)用中，目的就只有一個(gè)：提高光源的壽命并為圖像采集機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的高對(duì)比度的圖像。評(píng)價(jià)一個(gè)光源的好壞一般來(lái)說(shuō)，要從對(duì)比度、亮度、均勻性、穩(wěn)定性、壽命等方面來(lái)考慮：

    a對(duì)比度

    對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺(jué)來(lái)說(shuō)非常重要，對(duì)比度只就打光效果而言，這很大程度取決于光源和被檢測(cè)產(chǎn)品部位的波長(zhǎng)。機(jī)器視覺(jué)光源最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于軟件的判斷和區(qū)分。

    b亮度

    當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是選擇更亮的那個(gè)。光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深 。亮度不夠時(shí)，環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的影響就會(huì)很大，一個(gè)良好的光源的亮度必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境光（比如燈光，陽(yáng)光等），這樣就保證環(huán)境光變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響不大，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    c均勻性

    均勻性是光源一個(gè)很中要的技術(shù)參數(shù)。均勻性好的光源使系統(tǒng)工作穩(wěn)定 。均勻性良好的光源，能保證工件的檢測(cè)部分的圖像灰度級(jí)別基本一致，這樣更加有利于軟件分析，降低誤判的風(fēng)險(xiǎn)。不均勻的光會(huì)造成不均勻的反射。簡(jiǎn)單的說(shuō)，圖像中暗的區(qū)域就是缺少反射光，而亮點(diǎn)就是此處反射太強(qiáng)了。不均勻的光會(huì)使視野范圍內(nèi)部分區(qū)域的光比其他區(qū)域多。從而造成物體表面反射不均勻（假設(shè)物體表面的對(duì)光的反射是相同的）。均勻的光源會(huì)補(bǔ)償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。

    d壽命

    光源的亮度不易衰減過(guò)快，這樣會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，增加維護(hù)的成本 。發(fā)熱量大的燈亮度衰減快，當(dāng)亮度衰減到一定程度時(shí)，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性就得更換光源。因此光源的壽命與光源的工作溫度和光源本身的溫度有很大的關(guān)系。散熱設(shè)計(jì)是光源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的內(nèi)容之一。

四 選用擇合適光源應(yīng)該考慮的因素 ：

    a、波長(zhǎng)

    既然光源的主要工作是為圖像采集機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的高對(duì)比度的圖像。因此如何依靠光源增強(qiáng)被檢測(cè)部分的圖像對(duì)比度是我們的主要工作。一般來(lái)說(shuō)，光源的選用原則是：使用相同顏色的光或相近顏色的光源照射可以使被照射部分變亮；使用相反顏色的光或相近顏色的光源照射可以使被照射部分變暗。其理論依據(jù)就是，光源的波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的波長(zhǎng)越相近時(shí)，光源就越能增強(qiáng)物體圖像的對(duì)比度。

    不同的波長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)的穿透力(穿透率)不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)物體的穿透力愈強(qiáng)，波長(zhǎng)越短，對(duì)物質(zhì)表面的擴(kuò)散率愈大。

    b、效率

    有些光源效率很高，相對(duì)于能量的消耗，其散發(fā)出更加多的光能，例如熒光燈。而鎢燈，產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，能量消耗也很大。效率不高的光源產(chǎn)生局部過(guò)熱，浪費(fèi)很多。一般，光源的溫度越高，其壽命就會(huì)縮短，其消耗的能量就相對(duì)較高。

    c、形狀

一般而言，什么形狀的物體選用什么形狀的光源?？梢宰裱韵略瓌t：閃光曲面，考慮用散射圓頂光；閃光，平的，但粗糙的表面，嘗試用同軸散射光； 看表面的形狀，考慮用暗視場(chǎng)(低角度)；檢測(cè)塑料的時(shí)候，嘗試用紫外或紅外光； 需要通過(guò)反射的表面看特征，嘗試用低角度線(xiàn)光源(暗視場(chǎng))；單個(gè)光源不能有效解決問(wèn)題時(shí)考慮用組合光源；頻閃能夠產(chǎn)生比常亮照明20倍強(qiáng)的光。

五 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用關(guān)心的是反射光（除非使用背光）。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如何能夠控制好光源的反射，那么獲得的圖像就可以控制了。因此，在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，當(dāng)光源入射到給定物體表面的時(shí)候，光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

   a、光源可預(yù)測(cè)

    當(dāng)光源入射到物體表面的時(shí)候，光源的反映是可以預(yù)測(cè)的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金屬材料，表面難以照亮）或者被部分吸收（造成了顏色的變化及亮度的不同）。不被吸收的光就會(huì)被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個(gè)科學(xué)的定律大大簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺(jué)光源，因?yàn)槔硐氲南攵ǖ男Ч梢酝ㄟ^(guò)控制光源而實(shí)現(xiàn)。

    b、物體表面

    如使機(jī)器視覺(jué)照明復(fù)雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的，在解決實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就沒(méi)有必要采用不同的光源技術(shù)了。但由于物體表面的不同，因此需要觀察視野中的物體表面，并分析光源入射的反映。

   c、控制反射

    如果反射光可以控制，圖像就可以控制。在涉及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機(jī)器視覺(jué)的光源設(shè)計(jì)就是對(duì)反射的研究。在視覺(jué)應(yīng)用中，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)物體以決定需要什么樣的光源的時(shí)候，首先要弄清楚如何才能讓物體顯現(xiàn)？我如何才能應(yīng)用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？

六 那么影響反射效果的因素有有哪些呢？總的來(lái)說(shuō)有光源的位置？物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。

    a、光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置對(duì)獲取高對(duì)比度的圖像很重要。光源的目標(biāo)是要達(dá)到使感興趣的特征與其周?chē)谋尘皩?duì)光源的反射不同。預(yù)測(cè)光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

    b、表面紋理：物體表面可能高度反射（鏡面反射）或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個(gè)漫反射的表面，如一張不光滑的紙張，有著復(fù)雜的表面角度，用顯微鏡觀看的時(shí)候顯得很明亮，這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開(kāi)了。而一張光滑的的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

    c、表面形狀：一個(gè)球形表面反射光源的方式與平面物體不近相同。物體表面的形狀越復(fù)雜，其表面的光源變化也隨之而復(fù)雜。對(duì)應(yīng)一個(gè)拋光的鏡面表面，光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。

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