詳解機(jī)器視覺的光源基礎(chǔ)與選型技巧
一套完整的視覺檢測(cè)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(jī)、工業(yè)鏡頭以及機(jī)器視覺光源承擔(dān)，今天我們主要介紹機(jī)器視覺光源的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)及選型技巧。首先我們需要了解，機(jī)器視覺中的光源起到哪些作用：
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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(duì)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；
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通過恰當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)，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(shí)提高系統(tǒng)的精度和可靠性，但非常遺憾，目前沒有一個(gè)通用的機(jī)器視覺照明系統(tǒng)，可以應(yīng)對(duì)不同的檢測(cè)要求，因此針對(duì)每個(gè)特定的案例，都需要設(shè)計(jì)適應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果，而不合適的照明，則會(huì)引起很多問題，機(jī)器視覺光源如此重要，卻往往被很多人忽視。
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目前機(jī)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(jià)比高等特點(diǎn)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用：
一、形狀自由度
一個(gè)LED光源是由許多單個(gè)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(duì)用戶的情況，設(shè)計(jì)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(cè)量結(jié)果，照明系統(tǒng)必須保證相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)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(shí)后，亮度衰減，但遠(yuǎn)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(shí)間很短，響應(yīng)時(shí)間的真正意義是能按要求保證多個(gè)光源之間或一個(gè)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(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)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(huì)有很大的差別。實(shí)際上，如何利用光源顏色的技術(shù)特性得到最佳對(duì)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(yùn)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(huì)被日常的維護(hù)、維修費(fèi)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(fèi)了維修工程師許多寶貴的時(shí)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(fèi)就越大，因此選用壽命長的LED光源從長遠(yuǎn)看是很經(jīng)濟(jì)的。
機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)：
1）照射方式
選擇不同的光源，控制和調(diào)節(jié)照射到物體上的入射光的方向是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本的參數(shù)，它取決于光源的類型和相對(duì)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(gè)方向，射角小，它能投射出物體陰影；
漫射光：入射光來自多個(gè)方向，甚至于所有的方向，它不會(huì)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(shí)用途很大，有時(shí)又可能產(chǎn)生極強(qiáng)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(gè)方向漫散出去。在大多數(shù)實(shí)際情況下，漫散光在某個(gè)角度范圍內(nèi)形成，并取決于入射光的角度。
3）顏色
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光譜中很大的一部分電磁波譜是人眼可見的，在這個(gè)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(cè)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(jìn)行排序，形成紅色連接到另一端的紫色，機(jī)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(lán)色調(diào)，通常用相反色溫的光線照射，圖像可以達(dá)到最高級(jí)別的對(duì)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(duì)我們選擇光源很有幫助。
4）明視場(chǎng)和暗視場(chǎng)
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明視場(chǎng)是最常用的照明方案，采用正面直射光照射形成，而暗視場(chǎng)主要由低角度或背光照明形成，對(duì)于不同項(xiàng)目檢測(cè)需求，選擇不同類型的照明方式，一般來說暗視場(chǎng)會(huì)使背景呈現(xiàn)黑暗，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮。
5）光源分類
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目前主要有以下集中分類方式：
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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(lán)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；
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b）外形
各廠家會(huì)根據(jù)不同光源外形特性進(jìn)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；
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c）工作原理/特性
不同的應(yīng)用方式或者原理進(jìn)行分類，主要有無影光源、同軸光源、點(diǎn)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
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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(duì)比度物體圖像的時(shí)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(shí)，會(huì)引起像鏡面的反光。通用照明一般采用環(huán)狀或點(diǎn)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。
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2. 暗場(chǎng)照明：暗場(chǎng)照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明。
使用工業(yè)相機(jī)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(rèn)為使亮場(chǎng)照明，相反的在視野中看不到光源就是暗場(chǎng)照明。因此光源是亮場(chǎng)照明還是暗場(chǎng)照明與光源的位置有關(guān)。典型的，暗場(chǎng)照明應(yīng)用于對(duì)表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。
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3. 背光照明：從物體背面射過來均勻視場(chǎng)的光，通過相機(jī)可以看到物面的側(cè)面輪廓。
背光照明常用于測(cè)量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產(chǎn)生了很強(qiáng)的對(duì)比度。應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)候，物體表面特征可能會(huì)丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測(cè)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。
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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(duì)于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達(dá)到170立體角范圍的均勻照明。
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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(gè)使光向下的分光鏡上，相機(jī)從上面通過分光鏡看物體。
這種類型的光源對(duì)檢測(cè)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(cè)面積不明顯的物體。
6. 偏振片：只允許振動(dòng)方向平行于其允許方向的光能通過，垂直分量被截止。
針對(duì)具體的應(yīng)用，從眾多的方案中選擇一個(gè)最好的照明系統(tǒng)是整個(gè)圖像處理系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。