工業視覺檢測/影像處理/圖像處理 中 光源/打光 的重要性

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光源

    機器視覺系統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。 而圖像的獲取是機器視覺的核心，圖像的獲取系統則是由光源、鏡頭、相機三部分組成。 光源的選取與打光合理與否可直接影響至少30%的成像品質。 所以光源是機器視覺系統中非常重要的一部分。

作用

    通過適當的光源照明設計，使圖像中的目標資訊與背景資訊得到最佳分離，可以大大降低圖像處理演算法分割、識別的難度，同時提高系統的定位、測量精度，使系統的可靠性和綜合性能得到提高。 反之，如果光源設計不當，會導致在圖像處理演算法設計和成像系統設計中事倍功半。 因此，光源及光學系統設計的成敗是決定系統成敗的首要因素。

    照亮目標，提高目標亮度;

    突出測量特徵，簡化圖像處理演算法;

    克服環境光的干擾，保證圖像的穩定性，提高圖像信噪比;

    提高視覺系統的定位、測量、識別精度，以及系統的運行速度;

    降低系統設計的複雜度，形成最有利於圖像處理的成像效果;

分類

    1、環形光源
        環形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維資訊;高密度LED陣列，高亮度;多種緊湊設計，節省安裝空間;解決對角照射陰影問題;可選配漫射板導光，光線均勻擴散。 應用領域：PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，積體電路印字檢查

    2、背光源
        用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體的外形輪廓特徵，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。 紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。 應用領域：機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。

    3、條形光源
        條形光源是較大方形結構被測物的首選光源;顏色可根據需求搭配，自由組合;照射角度與安裝隨意可調。 應用領域：金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。

    4、同軸光源
        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;部分採用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。 應用領域：系列光源最適宜用於反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，晶元和矽晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。

    5、AOI專用光源
        不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維資訊;外加漫射板導光，減少反光;不同角度組合;應用領域：用於電路板焊錫檢測。

    6、球積分光源
        具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發射出的光線，使整個圖像的照度十分均勻。 應用領域：合於曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。

    7、線形光源
        超高亮度，採用柱面透鏡聚光，適用於各種流水線連續檢測場合。 應用領域：陣相機照明專用，AOI專用。

    8、點光源
        大功率LED，體積小，發光強度高;光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等;高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。 應用領域：適合遠心鏡頭使用，用於晶元檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

    9、組合條形光源
        四邊配置條形光，每邊照明獨立可控;可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。 應用案例：CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

    10、對位光源
        對位速度快;視場大;精度高;體積小，便於檢測集成;亮度高，可選配輔助環形光源。 應用領域：VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。

LED光源特點

    目前機器視覺光源主要採用LED（發光二極管），由於其形狀自由度高，使用壽命長、回應速度快、單色性好、顏色多樣、綜合性價比高等特點在行業內廣泛應用：

    • 形狀自由度

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

    • 使用壽命長

        為了使圖像處理單元得到精確的，重複性好的測量結果，照明系統必須保證相當長的時間內能夠提供穩定的圖像輸入。 LED光源在連續工作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，用控制系統使其間斷工作，可抑制發光管發熱，壽命也將延長一倍。

    • 回應速度快

        LED發光管回應時間很短，響應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域之間的工作切換，採用專用控制器給LED光源供電時，達到最大照度的時間小於10s

    • 顏色多樣

        除了光源的形狀以外，得到穩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，由於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特性得到最佳對比度的圖像效果一直是光源開發的主要方向。

    • 綜合性運營成本低

        選用低廉而性能沒有保證的產品，初次投資的節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，而且幾乎每月就要更換，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濟的。

如何選擇

    • 環境要求分析

        1、從客戶那裡瞭解對系統結構及運行的要求，確定工業相機、光源、被測物的空間結構關係。
            確定的參數有：視場（FOV），工作距離（WD）;

        2、空間結構有： 直射，側射，背部照射;
            直射結構的光源—部分環形光源，同軸光源，圓頂光源;

            側射結構的光源—部分環形光源，條形光源，線光源，點光源;

            背部照射—方形背光源，條形背光源。

    • 物體表面紋理及顏色分析
        1、物體表面是曲面還是平面？ 物體表面是否光滑？ 反光是否很強？ 曲面檢測宜用圓頂光源，光滑平面宜用同軸光源，粗糙平面宜用明視場光源。

        2、物體的透光性怎樣？ 透光性好的物體可以用IR光源。

        3、分清背景（我們不需要檢測的）是什麼顏色，前景（我們要檢測的）是什麼顏色？ 好的光源就是有一個好的對比度—背景與前景很清楚。

        4、前景顏色多變化
        宜用彩色光源及白色光源;

    • 選擇總結
        1、需要前景與背景更大的對比度？–考慮用黑白相機與彩色光源
        2、環境光的問題？–嘗試用單色光源，配一個濾鏡
        3、閃光曲面？–嘗試用散射圓頂光
        4、閃光，平的，但粗糙的表面？–嘗試用同軸散射光 5、看表面的形狀？–考慮用暗視場（低角度）
        6、檢測塑料的時候–嘗試用紫外或紅外光
        7、需要通過反射的表面看特徵？–嘗試用低角度線光源（暗視場）
        8、組合光源有時也能解決問題
        9、頻閃能夠產生比常亮照明20倍強的光

如何打光

    •  一般目的的照明：
        通用照明一般採用環狀或點狀照明。 環燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。

    •  背光照明：
        背光照明是將光源放置在相對於攝像頭的物體的背面。 這種照明方式與別的照明方式有很大不同因為圖像分析的不是發水光而是入射光。 背光照明產生了很強的對比度。 應用背光技術時候，物體表面特徵可能會丟失。 例如，可以應用背光技術測量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。

    • 同軸照明：
        同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。 同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。 半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直於透鏡的光源通過。 同軸照明技術對於實現扁平物體且有鏡面特徵的表面的均勻照明很有用。 此外此技術還可以實現使表面角度變化部分高亮，因為不垂直於攝像頭鏡頭的表面反射的光不會進入鏡頭，從而造成表面較暗。 連續漫反射照明：連續漫反射照明應用於物體表面的反射性或者表面有複雜的角度。 連續漫反射照明應用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。 這種照明方式對於完全組裝的電路板照明非常有用。 這種光源可以達到170立體角範圍的均勻照明。

    •  暗域照明：
        暗域照明是相對於物體表面提供低角度照明。 使用相機拍攝鏡子使其在其視野內，如果在視野內能看見光源就認為使亮域照明，相反的在視野中看不到光源就是暗域照明。 因此光源是亮域照明還是暗域照明與光源的位置有關。 典型的，暗域照明應用於對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

    • 結構光：
        結構光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光（如線形、圓形、正方形）。 典型的結構光涉及鐳射或光纖。 結構光可以用來測量相機到光源的距離。 多軸照明：在許多應用中，為了使視野下不同的特徵表現不同的對比度，需要多重照明技術。