照明的質(zhì)量和適宜性是創(chuàng)建一個強大和及時的視覺檢查的關(guān)鍵方面。 為了設(shè)計一個有效的視覺照明解決方案，除了了解照明類型，技術(shù)，幾何形狀，濾波，傳感器特性和顏色之外，還需要對檢測環(huán)境進行全面的分析，包括樣品表現(xiàn)和樣品/光線的相互作用。 設(shè)計并遵循嚴(yán)格的照明分析序列提供了一致和強大的環(huán)境，從而最大限度地利用時間，精力和資源 – 在視覺系統(tǒng)設(shè)計，測試和實施的其他關(guān)鍵方面得到更好的使用。 本教程演示了機器視覺照明的概念和理論。
目錄
1. 介紹
2. 視覺照明源和光譜內(nèi)容
3. 視覺照明的基石
4. 考慮優(yōu)化照明解決方案
5. 照明技術(shù)
6. 應(yīng)用領(lǐng)域
7. 照明分析的順序
8. 概要
9.相關(guān)鏈接
1.介紹
也許視覺系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的其他方面一直造成比照明更多的延遲，成本超支和普遍的恐慌。 從歷史上看，照明往往是指定，開發(fā)或資助的最后一個方面。 這種方法并不完全沒有根據(jù)，因為直到最近，市場上還沒有真正的視覺專用照明，這意味著照明解決方案通常由標(biāo)準(zhǔn)白熾燈或熒光消費產(chǎn)品組成，具有不同的環(huán)境貢獻量。
本指南旨在提出開發(fā)適合樣本的照明的標(biāo)準(zhǔn)方法，而不是糾纏于理論處理。 它在實際框架中詳細(xì)介紹了相關(guān)方面，并在適用情況下從以下方面舉例說明：
① 了解照明類型和應(yīng)用的優(yōu)缺點，視覺相機和傳感器的量子效率和光譜范圍，照明技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相對于表面平坦度和表面反射率
② 熟悉視覺照明的四個基石：幾何，圖案或結(jié)構(gòu)，波長和濾鏡
③ 對即時檢測環(huán)境（物理約束和要求）的詳細(xì)分析和針對您獨特樣品的樣品/光線相互作用
當(dāng)您積累并分析了這些領(lǐng)域的信息后，就具體的樣品和檢測要求而言，您可以實現(xiàn)機器視覺照明分析的主要目標(biāo) – 提供符合三個接受標(biāo)準(zhǔn)的樣本適當(dāng)照明：
① 最大限度地利用這些功能的對比
② 盡量減少其他地方的對比度
③提供一個健壯的措施
每個檢查都是不同的，例如，只有在部件尺寸，形狀，方向，位置或環(huán)境變量（如環(huán)境光線貢獻度）不存在不一致的情況下，符合接受標(biāo)準(zhǔn)1和2的照明解決方案才有效（見圖1）。
圖1.便簽紙包裝上的玻璃紙包裝紙顯示左側(cè)符合所有三個驗收標(biāo)準(zhǔn)，而右側(cè)只符合標(biāo)準(zhǔn)一和二。 在這種情況下，皺紋不排除一個良好的條形碼閱讀。 但是，如果皺紋在下一包裝上的不同位置呢？
2.視覺照明源和光譜內(nèi)容
機器視覺中常用的照明光源是熒光燈，石英鹵素?zé)?，LED，金屬鹵化物（汞）和氙氣。
熒光燈，石英鹵素?zé)艉蚅ED是機器視覺中使用最廣泛的照明類型，特別是對于中小型檢測站。 金屬鹵化物，氙氣和高壓鈉更典型地用于大規(guī)模應(yīng)用或需要非常明亮光源的區(qū)域。 金屬鹵化物，也被稱為汞，經(jīng)常用于顯微鏡，因為它有許多離散的波長峰，這補充了熒光研究的過濾器的使用。 氙氣燈對于需要非常亮的頻閃燈的應(yīng)用非常有用。 圖2顯示了應(yīng)用于機器視覺的熒光燈，石英鹵素?zé)艉蚅ED照明類型以及相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點。 例如，盡管LED照明具有更長的壽命，但石英鹵素照明可能是特定檢查的選擇，因為它提供了更大的強度。
圖2.普通視覺照明光源的比較
從歷史上看，熒光燈和石英鹵素?zé)艄庠匆驯粡V泛使用。 近年來，LED技術(shù)的穩(wěn)定性，強度和成本效益都有所提高， 然而，對于大面積照明，特別是與熒光光源相比，它仍然不具有成本效益。 但是，如果應(yīng)用靈活性，輸出穩(wěn)定性和壽命是重要的參數(shù)，那么LED照明可能更合適。 根據(jù)具體的照明要求，通常情況下，您可以為特定的實施使用多種光源類型，大多數(shù)視覺專家認(rèn)為，一種光源類型不能充分解決所有照明問題。
不僅要考慮光源的亮度，還要考慮光譜的內(nèi)容（圖3）。 例如，顯微鏡應(yīng)用通常使用全譜石英鹵素?zé)?，氙燈或汞燈，尤其是在彩色成像時; 然而，隨著“全彩RGB”和白光LED燈頭的出現(xiàn)，單色LED光源對于黑白CCD照相機也是有用的，現(xiàn)在也用于彩色應(yīng)用。
在需要高光強度的應(yīng)用中，如高速檢測，將光源的光譜輸出與特定視覺相機的光譜靈敏度相匹配可能是有用的（圖4）。 例如，基于CMOS傳感器的相機比其電荷耦合器件（CCD）相對更具紅外靈敏度，在使用紅外LED或富含紅外鎢的光源時，在光源不足的檢測設(shè)置中具有顯著的靈敏度優(yōu)勢。
圖3.光源相對強度與光譜內(nèi)容（底部的條表示近似的人類可見光波長范圍）
圖4.相機傳感器絕對量子效率與波長（底部的條表示近似的人類可見波長范圍）
另外，圖3和圖4示出了在選擇照相機和光源時要考慮的其他幾個相關(guān)點：
①嘗試將傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長相匹配，以充分利用其輸出。
②當(dāng)與窄通濾波器匹配時，窄波長源（如單色LED或汞）有利于通過戰(zhàn)略波長。 例如，與紅色LED燈相匹配的紅色660 nm帶通濾光片可有效阻止來自高架熒光燈或汞源的工廠地板上的環(huán)境光線。
③陽光具有原始強度和寬帶光譜含量，以引起任何視覺檢查結(jié)果的質(zhì)疑 – 使用不透明的房屋。
④ 即使你的頭腦擅長解釋你的眼睛看到的東西，人類的視覺系統(tǒng)在極限靈敏度和光譜動態(tài)范圍方面遠遠不夠 – 讓你的眼睛看到用視覺相機獲得的圖像。
3.視覺照明的基石
視覺照明的四個基石是：
①幾何 – 樣本，光照和相機之間的三維空間關(guān)系
② 結(jié)構(gòu)或圖案 – 投射到樣品上的光的形狀
③ 波長或顏色 – 光線如何被樣品及其直接背景差異反射或吸收
④濾波器 – 差分阻塞和通過波長和/或光的方向
了解如何使用四個基石來操縱和提高樣本對比度，對于滿足評估照明質(zhì)量和魯棒性的三個驗收標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。 通過幾何體影響對比度變化涉及移動樣本，光線和/或相機位置，直到找到合適的配置。 例如，同軸環(huán)形燈（一個安裝在相機周圍）可能在半反射條碼表面上產(chǎn)生熱點眩光，但是通過簡單地離軸移動光線，熱點眩光也移出照相機的視野。 通過結(jié)構(gòu)或投射到樣品上的光的形狀，對比度變化通常是光頭或照明技術(shù)特定的（參見本系列第2部分中的照明技術(shù)部分）。 通過顏色照明的對比度變化與差異顏色吸光度對反射率有關(guān)（參見樣品/光線相互作用）。
4.考慮優(yōu)化照明解決方案
就照明環(huán)境而言，確定最佳照明解決方案時需要考慮兩個方面：（1）即時檢測環(huán)境和（2）樣品/光照相互作用
考慮來自這些評估的所有信息，以及可用的光學(xué)，照明類型，技術(shù)和四個基石，以開發(fā)符合三個驗收標(biāo)準(zhǔn)的適合樣本的照明解決方案。
即時檢查環(huán)境
充分了解立即檢查區(qū)域在3D空間中的物理要求和限制至關(guān)重要。 特別地，取決于特定的檢查要求，使用機器人拾放機器或預(yù)先存在的但是必要的支撐結(jié)構(gòu)可能嚴(yán)重地限制了有效照明解決方案的選擇，通過強制折衷不僅限于照明，還有其幾何形狀，工作距離，強度和圖案。 例如，您可以確定需要使用漫射光源，但由于自上而下的特寫有限，因此無法應(yīng)用。 對高速線路的檢查可能需要強烈的連續(xù)光線或閃光燈來凍結(jié)運動，當(dāng)然，大的物體對于照明來說也是完全不同的挑戰(zhàn)。 另外，一致的部件放置和展示也是重要的，特別是取決于正在檢查的特征。 然而，即使照明部分放置和展示不一致，也可以作為最后的手段，如果完全理解。
環(huán)境光貢獻
環(huán)境光輸入的存在會對檢查的質(zhì)量和一致性產(chǎn)生巨大影響，特別是在使用多光譜光源如白光的情況下。 最常見的環(huán)境影響因素是高架工廠照明和陽光照射，但偶爾會有其他檢測站甚至同一工作單元的其他工作站的視覺特定任務(wù)照明產(chǎn)生影響。
有三種處理環(huán)境光的有效方法：（1）具有短持續(xù)時間脈沖的高功率選通，（2）物理外殼，以及（3）通過濾波器。 應(yīng)用哪種方法是許多因素的函數(shù)，其中大部分將在后面的章節(jié)中詳細(xì)討論。 大功率選通只是壓倒了環(huán)境的貢獻，但是在人體工程學(xué)，成本和實施方面卻有缺點，而且并不是所有的熒光燈都可以被頻閃。 如果您不能使用選通，并且如果應(yīng)用程序要求使用彩色照相機，則多光譜白光對于精確的色彩還原和平衡是必需的。 在這種情況下，窄波長的通過濾波器是無效的，因為它會阻擋大部分的白光貢獻，因此外殼是最好的選擇。
但是，這個一般規(guī)則也有例外。 例如，一個700納米的短路濾波器，也稱為IR阻斷器，是彩色攝像機的標(biāo)準(zhǔn)配置，因為紅外成分會改變顏色的準(zhǔn)確性和平衡性，特別是綠色通道。 圖5說明了如何使用通過濾光片可以非常有效地阻擋環(huán)境光，特別是當(dāng)感興趣的光是低產(chǎn)量熒光時。
圖5.左圖顯示的是帶有紫外環(huán)光的nyloc螺母，但充滿了660 nm的“環(huán)境光”。 目標(biāo)是確定尼龍的存在/不存在。 由于周圍環(huán)境的貢獻很大，很難從樣品的相對低產(chǎn)量的藍色熒光燈中獲得足夠的對比度。 正確的圖像具有相同的光照，除了相機鏡頭上安裝了510納米的短通濾波器，可以有效地阻擋紅色“環(huán)境”光線，并允許藍色450納米光線通過。
樣品/光線相互作用
樣品表面與特定任務(wù)和環(huán)境光的相互作用與許多因素有關(guān)，包括表面形狀，幾何形狀和反射率以及其組成，地形和顏色。 這些因素的組合決定了多少光線以及以何種方式反射到相機，并隨后可用于采集，處理和測量。 例如，一個曲面鏡面（如蘇打水罐的底部）（圖6）反射一個定向光源，與平面漫反射表面（如復(fù)印紙）不同。 類似地，取決于光的類型和幾何形狀，諸如填充PCB的地形表面不同于平坦但具有細(xì)紋理或凹坑（圖7）的表面。
圖6.在左側(cè)，汽水罐的底部用明亮的環(huán)形燈照亮，但顯示出差的對比度，不均勻的光照和鏡面反射。 在右邊，蘇打水可以用漫射光成像，創(chuàng)造一個平坦的背景，所以代碼可以被讀取。
圖7.左側(cè)的二維點陣矩陣碼由明場環(huán)形光照亮。 右側(cè)用低角度線性暗場光成像。 光線模式的簡單改變創(chuàng)造了一個更加有效和強大的檢查。
顏色分析
圖8 – 色輪
材料反射和/或吸收不同波長的光，這種效應(yīng)對黑白和彩色成像空間都是有效的。 喜歡顏色反射和表面是明亮的; 相反，相反的顏色吸收和表面變暗。 使用暖色與冷色的簡單色輪（圖8），您可以在零件與其背景之間產(chǎn)生差異對比（圖9），甚至在有限的已知調(diào)色板上區(qū)分顏色部分，白色相機（圖10）。
圖9.在（a）紅光，（b）綠光，（c）藍光下產(chǎn)生的郵件圖像，產(chǎn)生的對比度比綠色低，（d）白光，對比度比藍色或綠色少。 白光對比所有顏色，但可能是對比度的妥協(xié)。
圖10.糖果碎片在（a）白光和彩色CCD照相機，（b）白光和黑白照相機，（c）紅光下照亮，使紅色和黃色都變亮并使藍色變暗，（d ）紅光和綠光，產(chǎn)生黃色，比黃光更亮，（e）綠光，綠光和藍光，使紅光變暗，（f）藍光，使藍光變亮，使其他光線變暗。
樣品成分和透光率
樣本組成可以極大地影響任務(wù)照明撞擊在零件上發(fā)生的情況。 一些塑料可能只透過某些波長范圍的光線，否則是不透明的; 有些可能不會透射，而是內(nèi)部漫射光線; 還有一些可能會吸收光線，只能以相同的波長或不同的波長（熒光）重新發(fā)射。 熒光標(biāo)簽和染料也常用于印刷行業(yè)的油墨（圖11）。
文章來源：機器視覺網(wǎng)，犀靈機器人http://整理發(fā)布