《機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用》課件-光源的基本知識與選型

光源的基本知識與選型課程引入機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識常見的光源類型及照明方式光源選型的技巧一二三四目錄一課程引入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(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：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。一課程引入通過恰當(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)對不同的檢測要求，因此針對每個(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。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。二機(jī)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，它不會投射出明顯的陰影。二機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識（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。二機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識（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(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（有的人可以觀測到380nm-780nm），即從紫色380nm到紅色780nm。二機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識（3）顏色色環(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。二機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識（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(xiàng)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。二機(jī)器視覺照明技術(shù)基礎(chǔ)知識（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(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；b)外形各廠家會根據(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；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。三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。機(jī)器視覺環(huán)形光源當(dāng)我們需要得到高對比度物體圖像的時(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。三常見的光源類型及照明方式（2）暗場照明：暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明。機(jī)器視覺環(huán)形光源使用工業(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。三常見的光源類型及照明方式（3）背光照明：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。機(jī)器視覺背光源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(qiáng)的對比度。應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)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。三常見的光源類型及照明方式（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。機(jī)器視覺漫反射圓頂光源連續(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(dá)到170立體角范圍的均勻照明。三常見的光源類型及照明方式（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。機(jī)器視覺漫反射圓頂光源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。三常見的光源類型及照明方式（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。四光源選型的技巧觀察實(shí)驗(yàn)法(LookandExperiment-最常用的)科學(xué)分析法(ScientificAnalysis-最有效的)四光源選型的技巧觀察實(shí)驗(yàn)法（1）準(zhǔn)備工作測試樣品要豐富，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；有多款備用測試光源，LED光源常見的幾大類，以及不同的顏色都要有。（2）環(huán)境要求分析a)從客戶那里了解對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的要求，確定工業(yè)相機(jī)、光源、被測物的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。確定的參數(shù)有：視場(FOV),工作距離(WD)；b)空間結(jié)構(gòu)有:直射，側(cè)射，背部照射：直射結(jié)構(gòu)的光源—部分環(huán)形光源，同軸光源，圓頂光源；側(cè)射結(jié)構(gòu)的光源—部分環(huán)形光源，條形光源，線光源，點(diǎn)光源；背部照射—方形背光源，條形背光源。四光源選型的技巧觀察實(shí)驗(yàn)法（3）物體表面紋理及顏色分析a)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(qiáng)？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。b)物體的透光性怎樣？透光性好的物體可以用IR光源。c)分清背景(我們不需要檢測的)是什么顏色，前景(我們要檢測的)是什么顏色？好的光源就是有一個(gè)好的對比度——背景與前景很清楚。d)前景顏色多變化？宜用彩色光源及白色光源。四光源選型的技巧觀察實(shí)驗(yàn)法（4）實(shí)物測試我們可以初步選定一款光源開始測試?？赡軙龅降膯栴}(與光源有關(guān))：1、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。2、整個(gè)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。3、圖像泛白？建議降底光源亮度，或?qū)㈢R頭的光圈減小。4、圖像亮度不均勻？檢查光源放平?jīng)]有？四光源選型的技巧科學(xué)分析法該方法主要是根據(jù)被測物表面特性以及要檢測的瑕疵特性等，從光源照射方向、角度、顏色等方面進(jìn)行分析，用戶可結(jié)合之前兩篇文章中相關(guān)的介紹，當(dāng)然即使經(jīng)過了分析，還是需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。四光源選型的技巧光源選型的技巧（1）需要前景與背景更大的對比度?–考慮用黑白相機(jī)與彩色光源。（2）環(huán)境光的問題?–嘗試用單色光源，配一個(gè)濾