機(jī)器視覺(jué)照明揭秘

一個(gè)成功的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的照明部分的任務(wù)已被稱為一些科學(xué)和其他藝術(shù)。但幾乎所有人都同意，正確的照明對(duì)任何機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目的成功都有很大的影響。大多數(shù)專家說(shuō)，圖像的質(zhì)量有助于超過(guò)80%的任何機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。這是不奇怪的，那么，在一個(gè)精心設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，照明起著巨大的作用，而照明源可能是最重要的組件之一，考慮在應(yīng)用程序中。

任何特定機(jī)器視覺(jué)任務(wù)的照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)是創(chuàng)建的功能，是重要的檢查和背景之間的對(duì)比度。一個(gè)特征可能是一個(gè)被定位或測(cè)量的對(duì)象，或一個(gè)被檢測(cè)的缺陷。當(dāng)此功能與背景對(duì)比度，或信噪比，是非常高的，所得到的圖像處理和分析將產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)于裝配驗(yàn)證，將有更少的虛假拒絕和虛假接受，因?yàn)橛休^少的特征模糊。在計(jì)量中，所得到的測(cè)量精度會(huì)更好。在許多情況下，處理速度實(shí)際上會(huì)更好，因?yàn)檩^少的預(yù)處理和其他操作的圖像時(shí)，所需的目標(biāo)特征是在高對(duì)比度的背景下明確定義的背景。

一個(gè)同樣重要的考慮一部分的照明是保持一致性的照明從一個(gè)圖像到下一個(gè)。不一致的照明的兩個(gè)關(guān)鍵因素是部分介紹和環(huán)境光。當(dāng)照射的表面物體改變位置或角度的攝像頭，反射光，表面也改變了方向。這些反射光的變化可能會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)顯著不同的圖像到達(dá)相機(jī)，和不一致的結(jié)果在處理。

這種白光LED頻閃燈是用來(lái)捕捉高速運(yùn)動(dòng)。不一致的部分表現(xiàn)可能成功地克服與適當(dāng)?shù)恼彰?，但在所有情況下，這是一個(gè)好主意，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用部分的位置盡可能限制由于錯(cuò)位的部分可能對(duì)超出成像中的應(yīng)用等方面的不利影響。

環(huán)境光是由被檢查的部分反射出來(lái)的光，來(lái)自于特定于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序的照明組件以外的其他來(lái)源。它可能是植物中的頂上的光，或是通過(guò)一扇窗戶或天窗照射的太陽(yáng)。環(huán)境光是不一致的性質(zhì)，和環(huán)境光的影響，在一個(gè)應(yīng)用程序通常是戲劇性的和負(fù)面的。如果可能的話，機(jī)器視覺(jué)成像的專用照明源必須克服，或顯著的比，環(huán)境光源。通常，環(huán)境光是太強(qiáng)或不可預(yù)測(cè)的，和檢查區(qū)域必須被籠罩，以阻止環(huán)境光。這是幾乎從來(lái)沒(méi)有接受使用環(huán)境光單獨(dú)為機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用；成本的專用照明和護(hù)照 ，在適當(dāng)?shù)那闆r下，將重復(fù)償還的一致性和可靠性的檢查結(jié)果。

一個(gè)額外的任務(wù)，往往是委托給在機(jī)器視覺(jué)的照明是停止或凍結(jié)的一部分的運(yùn)動(dòng)。某些光源可閃現(xiàn)或選通時(shí)間很短。移動(dòng)部分照明只有微秒，使其出現(xiàn)相機(jī)不動(dòng)。

有了這樣的理解，為什么照明是如此重要的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，并有針對(duì)性的目標(biāo)時(shí)，指定機(jī)器視覺(jué)的照明，考慮一些基本的實(shí)施原則。

低角度的光照效果，有時(shí)被稱為暗場(chǎng)照明，顯示。邊緣和邊緣缺陷突出。

 

基礎(chǔ)知識(shí)

任何圖像都是通過(guò)物體的光反射而產(chǎn)生的，并通過(guò)光學(xué)傳遞到攝像機(jī)。光學(xué)元件透鏡、濾波器、棱鏡路徑的光所產(chǎn)生的影像到相機(jī)可以科學(xué)地預(yù)測(cè)和精確建模。因此，規(guī)范和選擇的透鏡和其他光學(xué)部件可以很容易地完成，使用完善的公式。然而，不幸的是，沒(méi)有可比的一組的公式或規(guī)則，可以遵循的選擇和實(shí)施的光源，雖然某些科學(xué)原則的光的行為允許一個(gè)估計(jì)正確的照明技術(shù)。

當(dāng)評(píng)估機(jī)器視覺(jué)的正確照明時(shí)，反射是工作原理。反射的規(guī)則是，反射的角度總是等于入射的角度。換言之，當(dāng)光束在一個(gè)特定的角度照射一個(gè)表面點(diǎn)時(shí)，光束的任何部分都會(huì)在同一個(gè)角度遠(yuǎn)離點(diǎn)，但在相反的方向。鏡子是一個(gè)幾乎完美的反射鏡，這個(gè)概念的一個(gè)很好的例子。相對(duì)于鏡的表面的45度角的一個(gè)角度指向的光將從原來(lái)的點(diǎn)源的45度反射鏡反射鏡。

當(dāng)然，大多數(shù)表面都不是完美的反射鏡。此外，大多數(shù)光源產(chǎn)生的光是由散射光波構(gòu)成的。    

因此，單獨(dú)的光束，因此，根據(jù)表面性質(zhì)的不同的角度反射的表面。在一般情況下，從一個(gè)表面的反射被歸類為鏡面或漫反射，并在事實(shí)上，許多對(duì)象將有多個(gè)表面，或區(qū)域上的一個(gè)單一的表面具有不同的反射特性。

 當(dāng)一個(gè)表面的表面引起光的光束被打破或擴(kuò)散時(shí)，會(huì)發(fā)生漫反射。只有一部分的原始光束的強(qiáng)度得到反射到相機(jī)，其余的去在不同的方向。鏡面反射發(fā)生在光線投射到表面的光線在一個(gè)接近原光束強(qiáng)度的亮度水平上反射到相機(jī)中。

供參考，大多數(shù)人類用眼睛看的是漫反射。這是部分原因是在辦公室，家庭或自然的漫反射表面。它也有一部分是因?yàn)樵谌粘Ｉ钪械拇蟛糠止庠炊际歉叨确稚⒌?，如熒光燈的開(kāi)銷，或陰天。偶爾，一些高度鏡面反射表面的明亮閃爍可見(jiàn)，而現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常站出來(lái)，抓住一個(gè)人的眼睛。請(qǐng)注意，這個(gè)高光的亮點(diǎn)往往是不受控制的和不良的。

表面顏色對(duì)光的反射也有很大的影響。顏色是一個(gè)特定波長(zhǎng)的光的結(jié)果，從一個(gè)表面反射，和所有其他的光被吸收的波長(zhǎng)。如果一個(gè)物體看起來(lái)是紅色的，例如，它僅僅是因?yàn)榧t色的光從表面反射回來(lái)。如果光照在物體上不包含任何紅色光波，那么就不會(huì)有來(lái)自表面的反射，物體將是深灰色或黑色。通過(guò)選擇一個(gè)特定顏色的光源，對(duì)比度可以被操縱與照明時(shí)，目標(biāo)特征具有一致的顏色屬性。在某些機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中使用的顏色可能甚至不可見(jiàn)的人的眼睛。使用紫外線（紫外線）或紅外線（紅外線）照明來(lái)產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器視覺(jué)相機(jī)可見(jiàn)的圖像，這是不尋常的。

用于激光的結(jié)構(gòu)照明用于輪廓表面缺陷。

 

光源

機(jī)器視覺(jué)的照明光源有很大的不同，從熒光燈到專門的燈，旨在補(bǔ)充具體的檢查應(yīng)用。為機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)的照明單位是現(xiàn)成的；對(duì)于每個(gè)人，除了成像專業(yè)人士設(shè)計(jì)的照明，例如，一個(gè)原始設(shè)備制造商的應(yīng)用程序，沒(méi)有必要使用任何其他比現(xiàn)成的組件。

由發(fā)光二極管（LED）陣列制成的光源似乎是最廣泛使用的機(jī)器視覺(jué)照明和良好的原因。這些小的聚焦燈有多種顏色，多種尺寸，可分為形狀如環(huán)形燈、線性光源和聚光燈。從LED陣列的光是定向的和集中的，而不是擴(kuò)散。在一個(gè)LED陣列中的單個(gè)燈的目的是提供在特定的角度照明，并在每個(gè)LED的透鏡成型可以選擇提供在不同的傳播角度的光。為了使一個(gè)LED陣列的一個(gè)更彌漫性的源，一個(gè)半不透明的擴(kuò)散是放置在前面的LED。

LED最后一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間，在多年來(lái)衡量。當(dāng)LED降解時(shí)，它會(huì)很快，所以沒(méi)有很長(zhǎng)一段時(shí)間的光的應(yīng)用程序的質(zhì)量正在慢慢減少。然而，LED是非常容易受到熱損傷，他們產(chǎn)生了很多自己的和高溫顯著減少輸出和壽命。LED可以作為選通燈，事實(shí)上，他們可以更明亮，有一個(gè)更長(zhǎng)的壽命時(shí)，以這種方式使用。然而，LED光源，不像一些其他可用的照明方法一樣明亮，它是很難實(shí)現(xiàn)它們時(shí)，照明非常大的領(lǐng)域。即使擴(kuò)散，光有很強(qiáng)的方向性。

熒光燈是可行的許多機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。一個(gè)熒光光源產(chǎn)生一個(gè)真正的漫反射光。雖然熒光燈的出現(xiàn)主要是白色的眼睛，熒光光源的顏色變化所使用的管的類型。事實(shí)上，熒光燈是由“尖峰”的顏色，結(jié)合起來(lái)，使什么看起來(lái)像白光。熒光燈通常是最便宜的光源。通過(guò)設(shè)計(jì)，熒光燈閃爍在和關(guān)閉的速率固定的電子驅(qū)動(dòng)的光。

當(dāng)使用熒光燈時(shí)，選擇一個(gè)是專門為機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)的。這些燈用鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)高速的燈在25到90千赫。任何比這更慢的東西會(huì)引起與相機(jī)的干擾，并使光強(qiáng)度不一致。熒光燈有一個(gè)合理的壽命，在幾個(gè)月，但應(yīng)取代之前，失敗，因?yàn)樗麄兟亟到?。熒光的?lái)源有時(shí)是很難使用的某些部分，不能選通和沒(méi)有做好當(dāng)一個(gè)定向，非漫射光源是必要的。

應(yīng)注意的另一種光源是光纖導(dǎo)光燈，通常用石英鹵素?zé)?，金屬鹵化物燈恒源或氙氣閃光燈光源照明。光纖導(dǎo)光可配置成各種形狀，并幾乎一樣方便使用LED燈。從光纖波導(dǎo)的光是高度定向的，而不是彌漫性的，但光的亮度和顏色的一致性一般優(yōu)于其他來(lái)源。然而，燈的壽命是令人沮喪的，有時(shí)測(cè)量在小時(shí)。盡管有一個(gè)閃光燈，光的短占空比會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的壽命。

LED燈陣列和光纖導(dǎo)光燈可以集中使用鏡頭或其他光學(xué)。從大多數(shù)的光源可以用濾光片、偏振片改性以獲得不同的效果。

LED線燈用線掃描相機(jī)的Web檢查。在這種情況下，使用藍(lán)色的光，以提供對(duì)比度的互補(bǔ)色的缺陷。

 

照明技術(shù)

武裝與知識(shí)的基礎(chǔ)上的光源和反射率和顏色的表面上的知識(shí)，并與機(jī)器視覺(jué)照明的目的是創(chuàng)建目標(biāo)特征和背景之間的對(duì)比，它是時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)照明設(shè)計(jì)。這就是科學(xué)讓位給藝術(shù)的地方。

任何機(jī)器視覺(jué)的照明布局是特定于應(yīng)用的。一個(gè)光源指向一個(gè)對(duì)象的方式?jīng)Q定了該對(duì)象上的哪些功能是明亮的照明和哪些功能不是。

有三個(gè)基本方向，從中可以被定向到一個(gè)表面上。一個(gè)是在那里的光來(lái)自一個(gè)高的照明角度，或低的入射角，幾乎垂直于表面的一部分，有時(shí)被稱為明亮的場(chǎng)照明。有了這種技術(shù)，大部分的定向光從表面反射回來(lái)的相機(jī)。當(dāng)使用一個(gè)非漫光源時(shí)，這種技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生陰影和眩光，但在某些情況下，它是理想的有陰影創(chuàng)建邊緣對(duì)比度。隨著一些表面，并具有足夠高的角度，可以減少陰影和邊緣進(jìn)一步增強(qiáng)。一個(gè)彌漫性的源或定向源與擴(kuò)散從這個(gè)高的照明角度可以創(chuàng)建甚至照明的許多部分，以最小的眩光，但有時(shí)具有不太明顯的表面特征。

為暗視場(chǎng)照明，但這不是一個(gè)準(zhǔn)確的描述這個(gè)角度的照明的可見(jiàn)光結(jié)果。在這個(gè)低角度的照明，平坦的表面將反射較少的光回到相機(jī)，和一些結(jié)構(gòu)上的平坦表面上的對(duì)象可能會(huì)創(chuàng)建一些鏡面反射，甚至可能產(chǎn)生的陰影，這兩者都可以被捕獲的相機(jī)的功能。

LED燈作為照明不斷彌漫。這種類型的光穹頂提供了陰影和無(wú)眩光的照明，即使在高光部分。

從最后一個(gè)方向，光可以照亮一個(gè)對(duì)象是從后面，與對(duì)象直接瞄準(zhǔn)在光和對(duì)象的輪廓對(duì)照明的背景。此方法創(chuàng)建不同的尖銳棱角的物體輪廓，適合高精度測(cè)量或部分的位置。當(dāng)然，這種類型的光，沒(méi)有表面特征是可見(jiàn)的。

此外，也有一些普遍認(rèn)可的特殊照明技術(shù)，可能是適當(dāng)?shù)奶囟☉?yīng)用。這些措施包括使用結(jié)構(gòu)光，軸（軸向）照明和恒定的漫反射照明。

成功的照明機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序顯然是基于科學(xué)的原則，但也需要在最終實(shí)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)和藝術(shù)。

這是很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一個(gè)特定的表面將如何響應(yīng)一定的照明技術(shù)與一定的光源，但一個(gè)好的地方開(kāi)始是一個(gè)受過(guò)教育的猜測(cè)來(lái)自這個(gè)基本信息。最好總是測(cè)試一個(gè)照明技術(shù)和組件，并為此，供應(yīng)商提供這些組件可以是一個(gè)很好的資源。

 

技術(shù)提示

大多數(shù)專家說(shuō)，圖像的質(zhì)量有助于超過(guò)80%的任何機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。

當(dāng)評(píng)估機(jī)器視覺(jué)的正確照明時(shí)，反射是工作原理。

機(jī)器視覺(jué)的照明光源有很大的不同，從熒光燈到專門的燈，旨在補(bǔ)充具體的檢查應(yīng)用。