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詳解機器視覺的光源基礎(chǔ)與選型技巧
2021-06-19
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一套完整的視覺檢測系統(tǒng)主要包含圖像采集部分和圖像分析部分,而圖像采集部分主要有工業(yè)相機、工業(yè)鏡頭以及機器視覺光源,今天我們主要介紹機器視覺光源的相關(guān)基礎(chǔ)知識及選型技巧。首先我們需要了解,機器視覺中的光源起到哪些作用:
 
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,降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和對圖像處理算法的要求;
3、克服環(huán)境光干擾,保證圖像穩(wěn)定性,提高系統(tǒng)的精度、效率。
 
通過恰當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計,可以使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離,這樣不僅大大降低圖像處理的算法難度,同時提高系統(tǒng)的精度和可靠性,但非常遺憾,目前沒有一個通用的機器視覺照明系統(tǒng),可以應(yīng)對不同的檢測要求,因此針對每個特定的案例,都需要設(shè)計適應(yīng)的照明裝置,以達到最佳效果,而不合適的照明,則會引起很多問題,機器視覺光源如此重要,卻往往被很多人忽視。
 
目前機器視覺光源主要采用LED(發(fā)光二極管),由于其形狀自由度高,使用壽命長、響應(yīng)速度快、單色性好、顏色多樣、綜合性價比高等特點在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用:

一、形狀自由度

一個LED光源是由許多單個LED組合而成的,因此跟其他光源相比,可做成更多的形狀,更容易針對用戶的情況,設(shè)計光源的形狀和尺寸。

二、使用壽命長

為了使圖像處理單元得到精確的,重復(fù)性好的測量結(jié)果,照明系統(tǒng)必須保證足夠長的時間,能夠提供穩(wěn)定的圖像輸入。LED光源在連續(xù)工作10,000到30,000小時后,亮度衰減,但遠比其他型式的光源效果好。此外,用控制系統(tǒng)使其間斷工作,可抑制發(fā)光管發(fā)熱,壽命也將延長一倍。

三、響應(yīng)速度快

LED發(fā)光管響應(yīng)時間很短,響應(yīng)時間的真正意義是能按要求保證多個光源之間或一個光源不同區(qū)域之間的工作切換,采用專用控制器給LED光源供電時,達到最大照度的時間小于10s。

四、顏色多樣

除了光源的形狀以外,得到穩(wěn)定圖像輸入的另一方面就是選擇光源的顏色。甚至相同形狀的光源,由于顏色的不同得到的圖像也會有很大的差別。實際上,如何利用光源顏色的技術(shù)特性得到最佳對比度的圖像效果一直是光源開發(fā)的主要方向。

五、綜合性運營成本低

選用低廉而性能沒有保證的產(chǎn)品,初次投資的節(jié)省很快會被日常的維護、維修費用抵消。其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍,而且?guī)缀趺吭戮鸵鼡Q,浪費了維修工程師許多寶貴的時間。而且投入使用的光源越多,在器件更換和人工方面的花費就越大,因此選用壽命長的LED光源從長遠看是很經(jīng)濟的。

機器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識:

1)照射方式

選擇不同的光源,控制和調(diào)節(jié)照射到物體上的照射光的方向是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的最基本的參數(shù),它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置,一般來說有二種最基本的方式:直射光和漫射光,所有其它的方式都是從這二種方法中延伸出來的。

機器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識:

1)照射方式

選擇不同的光源,控制和調(diào)節(jié)照射到物體上的照射光的方向是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的最基本的參數(shù),它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置,一般來說有二種最基本的方式:直射光和漫射光,所有其它的方式都是從這二種方法中延伸出來的。

直射光:入射光基本上來自一個方向,射角小,它能投射出物體陰影;

漫射光:入射光來自多個方向,甚至于所有的方向,它不會投射出明顯的陰影;

2)反射方式

物體反射光線有兩種不同的反射特性:直反射和漫反射。

直反射:光線的反射角等于入射角。直反射有時用途很大,有時又可能產(chǎn)生極強的眩耀。在大多數(shù)情況應(yīng)避免鏡面反射。

漫反散:照射到物體上的光從各個方向漫散出去。在大多數(shù)實際情況下,漫散光在某個角度范圍內(nèi)形成,并取決于入射光的角度。

3)顏色

光譜中很大的一部分電磁波譜是人眼可見的,在這個波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱作可見光,范圍在400nm至760nm之間(有的人可以觀測到380nm-780nm),即從紫色380nm到紅色780nm。

色環(huán)就是在可見光光譜中的色彩進行排序,形成紅色連接到另一端的紫色,機器視覺種應(yīng)用到色環(huán)通常包括6種不同的顏色,分為兩大類:暖色和冷色,暖色由紅色調(diào)構(gòu)成,冷色來自于藍色調(diào),通常用相反色溫的光線照射,圖像可以達到最高級別的對比度,相同色溫的光線照射,可以有效濾除,因此靈活利用色溫特性,對我們選擇光源很有幫助。

4)明視場和暗視場

明視場是最常用的照明方案,采用正面直射光照射形成,而暗視場主要由低角度或背光照明形成,對于不同項目檢測需求,選擇不同類型的照明方式,一般來說暗視場會使背景呈現(xiàn)黑暗,而被檢物體則呈現(xiàn)明亮。

5)光源分類

目前主要有以下集中分類方式:

a)顏色

常用光源顏色集中在可見光范圍,主要有白光(復(fù)合光)、紅色、藍色、綠色,另外紅外光也比較普及,而紫外光由于各種原因,應(yīng)用較少;

b)外形

各廠家會根據(jù)不同光源外形特性進行分類,也是目前的主流分類,比如環(huán)形光源、環(huán)形低角度光源、條形光源、圓頂光源(碗光源/穹頂光源)、面光源等;

c)工作原理/特性

不同的應(yīng)用方式或者原理進行分類,主要有無影光源、同軸光源、點光源、線光源、背光源、組合光源以及結(jié)構(gòu)光源等;

常見的光源類型及照明方式

1. 一般目的的照明(直接照明):光直接射向物體,得到清楚的影像。

當(dāng)我們需要得到高對比度物體圖像的時候,這種類型的光很有效。但是當(dāng)我們用它照在光亮或反射的材料上時,會引起像鏡面的反光。通用照明一般采用環(huán)狀或點狀照明。環(huán)光是一種常用的通用照明方式,其很容易安裝在鏡頭,可給漫反射表面提供足夠的照明。

2. 暗場照明:暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明。

使用工業(yè)相機拍攝鏡子使其在其視野內(nèi),如果在視野內(nèi)能看見光源就認為使亮場照明,相反的在視野中看不到光源就是暗場照明。因此光源是亮場照明還是暗場照明與光源的位置有關(guān)。典型的,暗場照明應(yīng)用于對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。


3. 背光照明:從物體背面射過來均勻視場的光,通過相機可以看到物面的側(cè)面輪廓。

背光照明常用于測量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產(chǎn)生了很強的對比度。應(yīng)用背光技術(shù)時候,物體表面特征可能會丟失。例如,可以應(yīng)用背光技術(shù)測量硬幣的直徑,但是卻無法判斷硬幣的正反面。

4. 漫射照明:連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復(fù)雜的角度。

連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明,以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170立體角范圍的均勻照明。

5. 同軸照明: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,相機從上面通過分光鏡看物體。

這種類型的光源對檢測高反射的物體特別有幫助,還適合受周圍環(huán)境產(chǎn)生陰影的影響,檢測面積不明顯的物體。

6. 偏振片:只允許振動方向平行于其允許方向的光能通過,垂直分量被截止。


針對具體的應(yīng)用,從眾多的方案中選擇一個最好的照明系統(tǒng)是整個圖像處理系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。