照明的質(zhì)量和適宜性是創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大和及時(shí)的視覺檢查的關(guān)鍵方面。 為了設(shè)計(jì)一個(gè)有效的視覺照明解決方案，除了了解照明類型，技術(shù)，幾何形狀，濾波，傳感器特性和顏色之外，還需要對(duì)檢測環(huán)境進(jìn)行全面的分析，包括樣品表現(xiàn)和樣品/光線的相互作用。 設(shè)計(jì)并遵循嚴(yán)格的照明分析序列提供了一致和強(qiáng)大的環(huán)境，從而最大限度地利用時(shí)間，精力和資源 – 在視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測試和實(shí)施的其他關(guān)鍵方面得到更好的使用。 本教程演示了機(jī)器視覺照明的概念和理論。
目錄
1. 介紹
2. 視覺照明源和光譜內(nèi)容
3. 視覺照明的基石
4. 考慮優(yōu)化照明解決方案
5. 照明技術(shù)
6. 應(yīng)用領(lǐng)域
7. 照明分析的順序
8. 概要
9.相關(guān)鏈接
1.介紹
也許視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的其他方面一直造成比照明更多的延遲，成本超支和普遍的恐慌。 從歷史上看，照明往往是指定，開發(fā)或資助的最后一個(gè)方面。 這種方法并不完全沒有根據(jù)，因?yàn)橹钡阶罱袌錾线€沒有真正的視覺專用照明，這意味著照明解決方案通常由標(biāo)準(zhǔn)白熾燈或熒光消費(fèi)產(chǎn)品組成，具有不同的環(huán)境貢獻(xiàn)量。
本指南旨在提出開發(fā)適合樣本的照明的標(biāo)準(zhǔn)方法，而不是糾纏于理論處理。 它在實(shí)際框架中詳細(xì)介紹了相關(guān)方面，并在適用情況下從以下方面舉例說明：
① 了解照明類型和應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，視覺相機(jī)和傳感器的量子效率和光譜范圍，照明技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)于表面平坦度和表面反射率
② 熟悉視覺照明的四個(gè)基石：幾何，圖案或結(jié)構(gòu)，波長和濾鏡
③ 對(duì)即時(shí)檢測環(huán)境（物理約束和要求）的詳細(xì)分析和針對(duì)您獨(dú)特樣品的樣品/光線相互作用
當(dāng)您積累并分析了這些領(lǐng)域的信息后，就具體的樣品和檢測要求而言，您可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺照明分析的主要目標(biāo) – 提供符合三個(gè)接受標(biāo)準(zhǔn)的樣本適當(dāng)照明：
① 最大限度地利用這些功能的對(duì)比
② 盡量減少其他地方的對(duì)比度
③提供一個(gè)健壯的措施
每個(gè)檢查都是不同的，例如，只有在部件尺寸，形狀，方向，位置或環(huán)境變量（如環(huán)境光線貢獻(xiàn)度）不存在不一致的情況下，符合接受標(biāo)準(zhǔn)1和2的照明解決方案才有效（見圖1）。
圖1.便簽紙包裝上的玻璃紙包裝紙顯示左側(cè)符合所有三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而右側(cè)只符合標(biāo)準(zhǔn)一和二。 在這種情況下，皺紋不排除一個(gè)良好的條形碼閱讀。 但是，如果皺紋在下一包裝上的不同位置呢？
2.視覺照明源和光譜內(nèi)容
機(jī)器視覺中常用的照明光源是熒光燈，石英鹵素?zé)?，LED，金屬鹵化物（汞）和氙氣。
熒光燈，石英鹵素?zé)艉蚅ED是機(jī)器視覺中使用最廣泛的照明類型，特別是對(duì)于中小型檢測站。 金屬鹵化物，氙氣和高壓鈉更典型地用于大規(guī)模應(yīng)用或需要非常明亮光源的區(qū)域。 金屬鹵化物，也被稱為汞，經(jīng)常用于顯微鏡，因?yàn)樗性S多離散的波長峰，這補(bǔ)充了熒光研究的過濾器的使用。 氙氣燈對(duì)于需要非常亮的頻閃燈的應(yīng)用非常有用。 圖2顯示了應(yīng)用于機(jī)器視覺的熒光燈，石英鹵素?zé)艉蚅ED照明類型以及相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)。 例如，盡管LED照明具有更長的壽命，但石英鹵素照明可能是特定檢查的選擇，因?yàn)樗峁┝烁蟮膹?qiáng)度。
圖2.普通視覺照明光源的比較
從歷史上看，熒光燈和石英鹵素?zé)艄庠匆驯粡V泛使用。 近年來，LED技術(shù)的穩(wěn)定性，強(qiáng)度和成本效益都有所提高， 然而，對(duì)于大面積照明，特別是與熒光光源相比，它仍然不具有成本效益。 但是，如果應(yīng)用靈活性，輸出穩(wěn)定性和壽命是重要的參數(shù)，那么LED照明可能更合適。 根據(jù)具體的照明要求，通常情況下，您可以為特定的實(shí)施使用多種光源類型，大多數(shù)視覺專家認(rèn)為，一種光源類型不能充分解決所有照明問題。
不僅要考慮光源的亮度，還要考慮光譜的內(nèi)容（圖3）。 例如，顯微鏡應(yīng)用通常使用全譜石英鹵素?zé)?，氙燈或汞燈，尤其是在彩色成像時(shí); 然而，隨著“全彩RGB”和白光LED燈頭的出現(xiàn)，單色LED光源對(duì)于黑白CCD照相機(jī)也是有用的，現(xiàn)在也用于彩色應(yīng)用。
在需要高光強(qiáng)度的應(yīng)用中，如高速檢測，將光源的光譜輸出與特定視覺相機(jī)的光譜靈敏度相匹配可能是有用的（圖4）。 例如，基于CMOS傳感器的相機(jī)比其電荷耦合器件（CCD）相對(duì)更具紅外靈敏度，在使用紅外LED或富含紅外鎢的光源時(shí)，在光源不足的檢測設(shè)置中具有顯著的靈敏度優(yōu)勢。
圖3.光源相對(duì)強(qiáng)度與光譜內(nèi)容（底部的條表示近似的人類可見光波長范圍）
圖4.相機(jī)傳感器絕對(duì)量子效率與波長（底部的條表示近似的人類可見波長范圍）
另外，圖3和圖4示出了在選擇照相機(jī)和光源時(shí)要考慮的其他幾個(gè)相關(guān)點(diǎn)：
①嘗試將傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長相匹配，以充分利用其輸出。
②當(dāng)與窄通濾波器匹配時(shí)，窄波長源（如單色LED或汞）有利于通過戰(zhàn)略波長。 例如，與紅色LED燈相匹配的紅色660 nm帶通濾光片可有效阻止來自高架熒光燈或汞源的工廠地板上的環(huán)境光線。
③陽光具有原始強(qiáng)度和寬帶光譜含量，以引起任何視覺檢查結(jié)果的質(zhì)疑 – 使用不透明的房屋。
④ 即使你的頭腦擅長解釋你的眼睛看到的東西，人類的視覺系統(tǒng)在極限靈敏度和光譜動(dòng)態(tài)范圍方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 – 讓你的眼睛看到用視覺相機(jī)獲得的圖像。
3.視覺照明的基石
視覺照明的四個(gè)基石是：
①幾何 – 樣本，光照和相機(jī)之間的三維空間關(guān)系
② 結(jié)構(gòu)或圖案 – 投射到樣品上的光的形狀
③ 波長或顏色 – 光線如何被樣品及其直接背景差異反射或吸收
④濾波器 – 差分阻塞和通過波長和/或光的方向
了解如何使用四個(gè)基石來操縱和提高樣本對(duì)比度，對(duì)于滿足評(píng)估照明質(zhì)量和魯棒性的三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。 通過幾何體影響對(duì)比度變化涉及移動(dòng)樣本，光線和/或相機(jī)位置，直到找到合適的配置。 例如，同軸環(huán)形燈（一個(gè)安裝在相機(jī)周圍）可能在半反射條碼表面上產(chǎn)生熱點(diǎn)眩光，但是通過簡單地離軸移動(dòng)光線，熱點(diǎn)眩光也移出照相機(jī)的視野。 通過結(jié)構(gòu)或投射到樣品上的光的形狀，對(duì)比度變化通常是光頭或照明技術(shù)特定的（參見本系列第2部分中的照明技術(shù)部分）。 通過顏色照明的對(duì)比度變化與差異顏色吸光度對(duì)反射率有關(guān)（參見樣品/光線相互作用）。
4.考慮優(yōu)化照明解決方案
就照明環(huán)境而言，確定最佳照明解決方案時(shí)需要考慮兩個(gè)方面：（1）即時(shí)檢測環(huán)境和（2）樣品/光照相互作用
考慮來自這些評(píng)估的所有信息，以及可用的光學(xué)，照明類型，技術(shù)和四個(gè)基石，以開發(fā)符合三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的適合樣本的照明解決方案。
即時(shí)檢查環(huán)境
充分了解立即檢查區(qū)域在3D空間中的物理要求和限制至關(guān)重要。 特別地，取決于特定的檢查要求，使用機(jī)器人拾放機(jī)器或預(yù)先存在的但是必要的支撐結(jié)構(gòu)可能嚴(yán)重地限制了有效照明解決方案的選擇，通過強(qiáng)制折衷不僅限于照明，還有其幾何形狀，工作距離，強(qiáng)度和圖案。 例如，您可以確定需要使用漫射光源，但由于自上而下的特寫有限，因此無法應(yīng)用。 對(duì)高速線路的檢查可能需要強(qiáng)烈的連續(xù)光線或閃光燈來凍結(jié)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，大的物體對(duì)于照明來說也是完全不同的挑戰(zhàn)。 另外，一致的部件放置和展示也是重要的，特別是取決于正在檢查的特征。 然而，即使照明部分放置和展示不一致，也可以作為最后的手段，如果完全理解。
環(huán)境光貢獻(xiàn)
環(huán)境光輸入的存在會(huì)對(duì)檢查的質(zhì)量和一致性產(chǎn)生巨大影響，特別是在使用多光譜光源如白光的情況下。 最常見的環(huán)境影響因素是高架工廠照明和陽光照射，但偶爾會(huì)有其他檢測站甚至同一工作單元的其他工作站的視覺特定任務(wù)照明產(chǎn)生影響。
有三種處理環(huán)境光的有效方法：（1）具有短持續(xù)時(shí)間脈沖的高功率選通，（2）物理外殼，以及（3）通過濾波器。 應(yīng)用哪種方法是許多因素的函數(shù)，其中大部分將在后面的章節(jié)中詳細(xì)討論。 大功率選通只是壓倒了環(huán)境的貢獻(xiàn)，但是在人體工程學(xué)，成本和實(shí)施方面卻有缺點(diǎn)，而且并不是所有的熒光燈都可以被頻閃。 如果您不能使用選通，并且如果應(yīng)用程序要求使用彩色照相機(jī)，則多光譜白光對(duì)于精確的色彩還原和平衡是必需的。 在這種情況下，窄波長的通過濾波器是無效的，因?yàn)樗鼤?huì)阻擋大部分的白光貢獻(xiàn)，因此外殼是最好的選擇。
但是，這個(gè)一般規(guī)則也有例外。 例如，一個(gè)700納米的短路濾波器，也稱為IR阻斷器，是彩色攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，因?yàn)榧t外成分會(huì)改變顏色的準(zhǔn)確性和平衡性，特別是綠色通道。 圖5說明了如何使用通過濾光片可以非常有效地阻擋環(huán)境光，特別是當(dāng)感興趣的光是低產(chǎn)量熒光時(shí)。
圖5.左圖顯示的是帶有紫外環(huán)光的nyloc螺母，但充滿了660 nm的“環(huán)境光”。 目標(biāo)是確定尼龍的存在/不存在。 由于周圍環(huán)境的貢獻(xiàn)很大，很難從樣品的相對(duì)低產(chǎn)量的藍(lán)色熒光燈中獲得足夠的對(duì)比度。 正確的圖像具有相同的光照，除了相機(jī)鏡頭上安裝了510納米的短通濾波器，可以有效地阻擋紅色“環(huán)境”光線，并允許藍(lán)色450納米光線通過。
樣品/光線相互作用
樣品表面與特定任務(wù)和環(huán)境光的相互作用與許多因素有關(guān)，包括表面形狀，幾何形狀和反射率以及其組成，地形和顏色。 這些因素的組合決定了多少光線以及以何種方式反射到相機(jī)，并隨后可用于采集，處理和測量。 例如，一個(gè)曲面鏡面（如蘇打水罐的底部）（圖6）反射一個(gè)定向光源，與平面漫反射表面（如復(fù)印紙）不同。 類似地，取決于光的類型和幾何形狀，諸如填充PCB的地形表面不同于平坦但具有細(xì)紋理或凹坑（圖7）的表面。
圖6.在左側(cè)，汽水罐的底部用明亮的環(huán)形燈照亮，但顯示出差的對(duì)比度，不均勻的光照和鏡面反射。 在右邊，蘇打水可以用漫射光成像，創(chuàng)造一個(gè)平坦的背景，所以代碼可以被讀取。
圖7.左側(cè)的二維點(diǎn)陣矩陣碼由明場環(huán)形光照亮。 右側(cè)用低角度線性暗場光成像。 光線模式的簡單改變創(chuàng)造了一個(gè)更加有效和強(qiáng)大的檢查。
顏色分析
圖8 – 色輪
材料反射和/或吸收不同波長的光，這種效應(yīng)對(duì)黑白和彩色成像空間都是有效的。 喜歡顏色反射和表面是明亮的; 相反，相反的顏色吸收和表面變暗。 使用暖色與冷色的簡單色輪（圖8），您可以在零件與其背景之間產(chǎn)生差異對(duì)比（圖9），甚至在有限的已知調(diào)色板上區(qū)分顏色部分，白色相機(jī)（圖10）。
圖9.在（a）紅光，（b）綠光，（c）藍(lán)光下產(chǎn)生的郵件圖像，產(chǎn)生的對(duì)比度比綠色低，（d）白光，對(duì)比度比藍(lán)色或綠色少。 白光對(duì)比所有顏色，但可能是對(duì)比度的妥協(xié)。
圖10.糖果碎片在（a）白光和彩色CCD照相機(jī)，（b）白光和黑白照相機(jī)，（c）紅光下照亮，使紅色和黃色都變亮并使藍(lán)色變暗，（d ）紅光和綠光，產(chǎn)生黃色，比黃光更亮，（e）綠光，綠光和藍(lán)光，使紅光變暗，（f）藍(lán)光，使藍(lán)光變亮，使其他光線變暗。
樣品成分和透光率
樣本組成可以極大地影響任務(wù)照明撞擊在零件上發(fā)生的情況。 一些塑料可能只透過某些波長范圍的光線，否則是不透明的; 有些可能不會(huì)透射，而是內(nèi)部漫射光線; 還有一些可能會(huì)吸收光線，只能以相同的波長或不同的波長（熒光）重新發(fā)射。 熒光標(biāo)簽和染料也常用于印刷行業(yè)的油墨（圖11）。
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