机器视觉之光源基础知识及光源选型
版權(quán)聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權(quán)協(xié)議，轉(zhuǎn)載請附上原文出處鏈接和本聲明。
本文鏈接：https://blog.csdn.net/weixin_42258743/article/details/107380953
光源基礎(chǔ)知識
1.光源
1.1光源的作用
? ? ? ? 一套視覺檢測系統(tǒng)主要包括圖像采集模塊和圖像處理模塊，而圖像采集模塊主要由工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及光源組成。
圖像是機(jī)器視覺處理問題的核心，光源是決定圖像質(zhì)量的重要因素。
機(jī)器視覺中的光源的作用主要有：
1）照亮目標(biāo)，提高亮度；
2）形成有利于圖像處理的成像效果，降低視覺檢測系統(tǒng)的復(fù)雜度及對 圖像處理算法的難度；
3)克服環(huán)境光的干擾，保證圖像穩(wěn)定性；
4) 用作測量的工具或參照物。
? ? ? ? 照明系統(tǒng)是機(jī)器視覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分之一。目前尚未有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備。因此，針對每個特定的案例，要設(shè)計合適的照明裝置，以達(dá)到圖像處理最佳效果。
1.2光的顏色
? ? ? ? 能匹配出所有顏色的三種顏色稱為三原色。 RGB又稱色光三原色（加色法原理），即紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）。
? ? ? ? 不同波長的光線呈現(xiàn)不同的顏色。波長決定特定顏色的特征。
1.3光的互補(bǔ)色與對比色
? ? ? ? 為了方便應(yīng)用，可以把可見光波段的顏色首尾相接組成一個圓環(huán)，也就是所謂的色環(huán)。色環(huán)中距離比較近的顏色為相近色或者相鄰色，關(guān)于圓環(huán)中心對稱的為互補(bǔ)色，離的比較遠(yuǎn)的為對比色。
? ? ? ? 在光照環(huán)境中，使用與物體本色相鄰或相同的顏色照射，物體在圖像中的亮度會相對比較高；反之，如果使用對比色光照，則會使物體在圖像中顯得比較暗。
2.光源的種類
2.1 光源的種類
機(jī)器視覺常用的光源主要有：熒光燈、鹵素?zé)?、LED。
? ? ? ? 鹵素?zé)暨m合在高亮度應(yīng)用場合；
? ? ? ? 熒光燈因?yàn)槠渖€原性好的的特點(diǎn)仍然被廣泛使用于色彩檢測中；
? ? ? ? LED燈技術(shù)發(fā)展很快，也因其壽命長，亮度穩(wěn)定，可構(gòu)成不同形狀的光譜，可頻閃和低功耗等，逐漸在機(jī)器視覺使用的光源中占主導(dǎo)地位。
2.2LED光源的種類
? ? ? ? 機(jī)器視覺中常用的的LED光源可以分為兩大類：正面照明LED光源和背面照明LED光源。
1）正面照明LED光源用于檢測物體表面特征；
2）背面照明LED光源用于檢測物體輪廓或透明物體的純凈度。
? ? ? ? 正面照明LED光源按照結(jié)構(gòu)不同，又可分為環(huán)形光源、條形光源、同軸光源和方形光源。目前，環(huán)形光源用得較多，包括直接照射環(huán)形光源、漫反射環(huán)形光源、Dome光源等。
直接照射環(huán)形光源：適用于不反光物體的檢測； 漫反射環(huán)形光源：適用于反光物體的檢測； Dome光源：是漫反射光源的一種，但它是通過半球型的內(nèi)壁多次反射，可以完全消除陰影。主要用于檢測球型或曲面物體。? ? ? ? 按照照射角度的不同，直接照射環(huán)形光源可分為：垂直照射環(huán)形光源、帶角度環(huán)形光源、低角度環(huán)形光源和水平照射環(huán)形光源等?？梢院唵卫斫鉃?#xff1a;每個LED的光軸和環(huán)形燈外殼之間的夾角，依次為0°、20°、60°和90°(具體型號可能會稍有變化)。
不同的照明角度適用于不同的檢測要求。
? ? ? ? 垂直照明和帶角度照明為明視野照明，也就是被測物體表面大部分反光都能進(jìn)入攝像頭，故背景呈白色，比如物體表面突出特征的檢測。
? ? ? ? 低角度照明和水平照明為暗視野照明，也就是被測物體表面大部分反光都不進(jìn)入攝像頭，故背景呈黑色，只有物體高低不平之處的反光進(jìn)入攝像頭，比如金屬表面劃痕的檢測，背景呈黑色，劃痕呈白色。
? ? ? ? 垂直照明和帶角度照明的區(qū)別在于，前面一種的照射距離較遠(yuǎn)，后者較近。
? ? ? ? 低角度環(huán)形照明和水平照射環(huán)形照明的區(qū)別也是這樣。同時，漫反射環(huán)形也有直射和低角度之分。
低角度漫反射條形燈的應(yīng)用:
1）寬幅檢測
2) 線掃描照明。
3.常見的配光方式
3.1環(huán)形光
環(huán)形光提供不同照射角度、同顏色組合，更能突出物體的三維信息；
環(huán)形光高角度照射-明場配光
? ? ? ? 高角度光源提供高角度照射、不同顏色組合，更能突出物體的物體表面信息，測量、光滑表面雕刻圖案、裂縫、劃傷、低反光與高反光區(qū)域分離等。
環(huán)形光低角度照射-暗場配光
? ? ? ? 提供低角度照射、更能突出物體的物體表面輪廓邊緣有倒角、圓角物體輪廓提取、浮雕圖案識別與檢測，光滑表面劃傷、裂痕檢測。
3.2條形光照射
? ? ? ? 條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物體的首選光源,顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；角度靈活，照射角度與安裝隨意可調(diào)。
3.3PI點(diǎn)光源照射
? ? ? ? 體積小，發(fā)光強(qiáng)度高。尤其適合作為鏡頭的同軸光源，一般搭配同軸遠(yuǎn)心鏡頭使用.
3.4 同軸光照射
? ? ? ? 同軸光的形成：通過垂直墻壁出來的發(fā)散光，射到一個使光向下的分光鏡上，相機(jī)從上面通過分光鏡看物體。
? ? ? ? 同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾部分。
同軸光適用于：
1）表面反光極高的物體（金屬表面，手機(jī)屏等）表面微小凹坑、劃痕、裂紋、毛刺、凸起等缺陷的檢測；
2）表面由反射、吸收特性不同的材料組成的目標(biāo)物體的檢測。
3.5背光照射
? ? ? ?從物體背面射過來均勻視場的光，通過相機(jī)可以看到物面的側(cè)面輪廓?？梢杂酶呙芏萀ED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明。
? ? ? ?背光照明的主要應(yīng)用：外形輪廓提取、透明體內(nèi)部不透明體檢測。
3.6 RID球積分光源配光方式
3.7 紅外光的應(yīng)用
顏色過濾、穿透力強(qiáng)
? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?染料顏色過濾
3.8 紫外光的應(yīng)用
紫外光的主要應(yīng)用:熒光檢測、涂膠檢測、油污檢測、微粒檢測。
3.9 偏振光的應(yīng)用
? ? ?高質(zhì)量采圖是產(chǎn)片檢測過程中最為關(guān)鍵的一步，而采用偏振片，在某些場合能大大提升圖像質(zhì)量，達(dá)到檢測的目的。
? ? ? 偏振片由二向色性材料制成，當(dāng)光通過偏振片時，振動方向相當(dāng)于傳播方向的不對稱性。
H偏振片：聚乙烯醇+碘
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 偏振光用于攝影的應(yīng)用
3.10 多角度組合光的應(yīng)用
? ? ? ? 分多角度多層次照明，控制每個方向的入射光強(qiáng)度，當(dāng)不同照射角強(qiáng)度分布達(dá)到較合適的條件下，即可得到十分均勻的圖片效果。.
3.11 AOI光源的應(yīng)用
? ? ? ?焊錫檢測主要是通過焊錫表面不同曲率表面對固定角度照射光線反射的強(qiáng)弱差異，得到焊錫的二維彩色圖像，并與良品焊點(diǎn)的圖像做對比，判別焊錫的好壞。
3.12 提高光源穩(wěn)定性的方式
1）. 減少環(huán)境光干擾,關(guān)閉生產(chǎn)環(huán)境光的燈 (來自車間天花板上的燈光，如汞燈、HP鈉燈和日光燈，附近的白熾燈)
至少有效
2）. 建造保護(hù)罩
最有效，但是費(fèi)時，體積大，成本高
3）. 通過頻閃和提高光源亮方式，從而將環(huán)境光淹沒
非常有效，但光源系統(tǒng)需要更多成本與復(fù)雜
4）. 用濾光片控制
讓一個窄帶的光線通過濾光片
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 濾光片的應(yīng)用
4.光源選型
沒有一款萬能的光源，只有合適的才是最好的。因此，需要：
1）了解項(xiàng)目需求，明確要檢測或者測量的目標(biāo)，并且測試樣品要豐富，要有不同種類的完好樣品及問題樣品，盡可能的讓樣品出現(xiàn)所有的問題，特別是要有最難檢測實(shí)際有問題的樣品。
2）分析目標(biāo)與背景的區(qū)別，找出兩者之間最可能差異大的光學(xué)現(xiàn)象，確定工業(yè)相機(jī)、光源、被測物的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系；
3）根據(jù)光源與目標(biāo)之間的配合關(guān)系，初步確定合適的光源發(fā)光類型；
4）要多款備用測試光源，LED光源常見的幾大類，以及不同的顏色都要有。拿實(shí)際光源測試，以確定滿足要求的打光方式；
5）根據(jù)具體，確定適用于客戶的產(chǎn)品。
實(shí)際現(xiàn)場條件測試
-前景亮度不夠？前景是什么顏色？建議換與前景顏色相同的光源測試。
-相機(jī)、鏡頭和光源的3D結(jié)構(gòu)（工作范圍）？
-工作范圍的形狀和大小？
-整個圖像亮度不夠？建議將光源靠近物體一些，或者采用頻閃，或者換波長短一些的光源。
-最大和最小的相機(jī)、光源的工作距離和視場？
-圖像亮度不均勻？檢查光源放平?jīng)]有
-是否有潛在環(huán)境光干擾？
-圖像泛白？建議降底光源亮度，或?qū)㈢R頭的光圈減小。
被測物特征
-感興趣特征部分與背景的差異？
-樣品是固定還是移動，或是一會停一會動？
-如果樣品移動，移動速度是多少？
-頻閃？或者期望的頻率，持續(xù)工作時間以及工作周期？
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的机器视觉之光源基础知识及光源选型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
