机器视觉光源

机器视觉系统——光源

本文参考一些经典博客、论文和本人的相关经验归纳整理。

照明系统是机器视觉系统中最关键的部分之一，光源的选择和设计会影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。有效的光源系统能够产生最大的对比度、亮度，且对部件的位置变化不敏感。并可提高检测的准确率和效率。常见的机器视觉照明光源主要包括以下几种类型:白炽光源、金属卤素光源、荧光光源、LED光源、红外光源、X射线光源等。如下表所示：
在这里插入图片描述
其中白炽光源已基本淘汰不用,红外光源和X射线光源应用领域较为单一,金属卤素光源更多用于环境照明、展示照明等领域。机器视觉系统中最常用的光源是荧光光源和LED光源,LED光源具有响应速度快、耗电量低、安全性高、使用寿命长、单元体积小、可控性高和绿色可回收等优势[1]。在能源短缺的背景下, 高效节能LED从发明到成熟应用备受瞩目, 随着应用过程光电指标和可靠性取得突破及提高, 以及发光效率和结温耐受度的提高, 其优势主要体现在以下方面: (1) 固态LED光源具有使用寿命长、抗震性强、不含汞 (Hg) 和维护便利等优势, 在耐振动和耐冲击性能也远优于普通灯泡, 而且有体积小和环境适应性强等优点。 (2) LED启动并达到目标值光通量的时间比气体放电灯短。(3) 恒流工作的LED不会因电压波动出现忽明忽暗, 功率低则发热量小, 从而降低了设备的自燃风险。 (4) 基于LED发光角度的可控性,灯具的光学设计更便利, 在概念设计的典型应用更为突出[2]。

在机器视觉系统中，光源的主要作用有以下几点：
1，突出待检测特征，简化图像处理算法；
2，形成显著的图像处理的特征呈像效果；
3，克服坏境光的干扰，保证图像的稳定性和提高图像的信噪比；
4，用作测量的工具和参照；
5，提高视觉系统的定位、测量、识别精度以及系统的运行速度；
6，降低系统设计的复杂度。

一.光源选择要素

根据项目选择合适的光源是经验和知识的累积，但是光源选择遵循以下几点要素：
1.对比度
机器视觉应用照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。
2.稳定性
光源通常放置在机器内部，有些机器在运转时会有较大的震动，当光源随机器抖动时，打光效果不应随之抖动，结果图像不会随之变化。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中有相同的效果。
3.亮度
当选择两种光源的时候，最佳的选择肯定是更亮的那个。因为当光源亮度不够时就会出现以下三种情况：一、相机的信噪比不够；二、图像的对比度不够，在图像上出现噪声的可能性也随之增大；三、光源的亮度不够，必然需要加大光圈，从而减少景深，并且自然光也会随机对系统加大影响。
4.光源可预测
当光源入射到物体表面的时候，光源的反射是可以预测的，光源可能被吸收或被反射，光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的不同）。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度。
5.物体表面
如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了，但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的物体表面及其纹理，分析计算合适的光源照射角度和位置。
6.光源的位置
光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要，光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。分析模拟光源在物体表面反射就可以决定出光源的位置。
7.选择光源
光源应该按照照明形状的需要来选择，需要有足够的均匀度，且稳定性能要好。

二.光源类型

机器视觉的光源按形状通常可分为以下几类：
1.环形光源：
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。不同类型的环形光源有着不同的效果，但环形光源均可提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；且由高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。
环形光源图例
2.背光源：
用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征。特别多说一点，对于透光度较好的材质，背光源具有良好的打光效果。
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3.条形光源：
条形光源是较大方形结构被测物的首先光源，颜色可根据需求搭配，自由组合，照射角度与安装随意可调。
条形光源图例
4.AOI专业光源：
不同角度的三色光照明，照射凸显锡焊三维信息；外加漫射板导光，减少反光不同角度组合。
AOI光源图例
5.球积分光源：
具有积分效果的半球面内部，均匀反射从底部360°发射出的光线，使整个图像的照度十分的均匀。
球积分光源图例
6.线性光源：
超高高度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。
线性光源图例
7.同轴光：
可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰，部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。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。
同轴光源图例
8.点光源：
大功率LED，体积小，发光强度高；卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等，高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。
点光源图例
9.组合条形光：
四边配置条形光，每边照明独立可控制；可根据被测物体要求调整所需照明角度，适用性广。
组合条形光图例
10.对位光源：
速度快，视场大，精度高，体积小，便于检测集成，亮度高，可适配辅助环形光。
对位光源图例
11.组合光源：
采用多种类型光源组合使用，已达到高对比度、高稳定性和高亮度的效果。