机器视觉：光源基础及选型

一套完整的视觉检测系统主要包含图像采集部分和图像分析部分，而图像采集部分主要有工业相机、工业镜头以及机器视觉光源承担，今天我们主要介绍机器视觉光源的相关基础知识及选型技巧。首先我们需要了解，机器视觉中的光源起到哪些作用：

1、照亮目标，提高亮度；

2、形成有利于图像处理的成像效果，降低系统的复杂性和对图像处理算法的要求；

3、克服环境光干扰，保证图像稳定性，提高系统的精度、效率；

通过恰当的光源照明设计，可以使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，这样不仅大大降低图像处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性，但非常遗憾，目前没有一个通用的机器视觉照明系统，可以应对不同的检测要求，因此针对每个特定的案例，都需要设计适应的照明装置，以达到最佳效果，而不合适的照明，则会引起很多问题，机器视觉光源如此重要，却往往被很多人忽视。

目前机器视觉光源主要采用LED（发光二极管），由于其形状自由度高，使用寿命长、响应速度快、单色性好、颜色多样、综合性价比高等特点在行业内广泛应用：

一、形状自由度

一个LED光源是由许多单个LED组合而成的，因而跟其他光源相比，可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。

二、使用寿命长

为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果，照明系统必须保证相当长的时间内能够提供稳定的图像输入。LED光源在连续工作10,000到30,000小时后，亮度衰减，但远比其他型式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热，寿命也将延长一倍。

三、响应速度快

LED发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换，采用专用控制器给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10s

四、颜色多样

除了光源的形状以外，得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。甚至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图像也会有很大的差别。实际上，如何利用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。

五、综合性运营成本低

选用低廉而性能没有保证的产品，初次投资的节省很快会被日常的维护、维修费用抵消。其他光源不仅耗电是LED光源的2-10倍，而且几乎每月就要更换，浪费了维修工程师许多宝贵的时间。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的花费就越大，因此选用寿命长的LED光源从长远看是很经济的。

机器视觉照明技术基础知识：

1)照射方式

选择不同的光源，控制和调节照射到物体上的入射光的方向是机器视觉系统设计的最基本的参数，它取决于光源的类型和相对于物体放置的位置，一般来说有二种最基本的方式：直射光和漫射光，所有其它的方式都是从这二种方法中延伸出来的。

直射光：入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出物体阴影；

漫射光：入射光来自多个方向，甚至于所有的方向，它不会投射出明显的阴影

2)反射方式

物体反射光线有两种不同的反射特性：直反射和漫反射

直反射：光线的反射角等于入射角。直反射有时用途很大，有时又可能产生极强的眩耀。在大多数情况应避免镜面反射。

漫反散：照射到物体上的光从各个方向漫散出去。在大多数实际情况下，漫散光在某个角度范围内形成，并取决于入射光的角度。

3)颜色

光谱中很大的一部分电磁波谱是人眼可见的，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光，范围在400nm至760nm之间（有的人可以观测到380nm-780nm），即从紫色380nm到红色780nm。

色环就是在可见光光谱中的色彩进行排序，形成红色连接到另一端的紫色，机器视觉种应用到色环通常包括6种不同的颜色，分为两大类：暖色和冷色，暖色由红色调构成，冷色来自于蓝色调，通常用相反色温的光线照射，图像可以达到最高级别的对比度，相同色温的光线照射，可以有效滤除，因此灵活利用色温特性，对我们选择光源很有帮助。

4)明视场和暗视场

明视场是最常用的照明方案，采用正面直射光照射形成，而暗视场主要由低角度或背光照明形成，对于不同项目检测需求，选择不同类型的照明方式，一般来说暗视场会使背景呈现黑暗，而被检物体则呈现明亮。

5)光源分类

目前主要有以下集中分类方式：

a)颜色

常用光源颜色集中在可见光范围，主要有白光（复合光）、红色、蓝色、绿色，另外红外光也比较普及，而紫外光由于各种原因，应用较少；

b)外形

各厂家会根据不同光源外形特性进行分类，也是目前的主流分类，比如环形光源、环形低角度光源、条形光源、圆顶光源（碗光源/穹顶光源）、面光源等；

c)工作原理/特性

不同的应用方式或者原理进行分类，主要有无影光源、同轴光源、点光源、线光源、背光源、组合光源以及结构光源等

常见的光源类型及照明方式

1、一般目的的照明（直接照明）：光直接射向物体，得到清楚的影像。

当我们需要得到高对比度物体图像的时候，这种类型的光很有效。但是当我们用它照在光亮或反射的材料上时，会引起像镜面的反光。通用照明一般采用环状或点状照明。环光是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头，可给漫反射表面提供足够的照明。

2、暗场照明：暗场照明是相对于物体表面提供低角度照明。

使用工业相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮场照明，相反的在视野中看不到光源就是暗场照明。因此光源是亮场照明还是暗场照明与光源的位置有关。典型的，暗场照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。

3、背光照明：从物体背面射过来均匀视场的光，通过相机可以看到物面的侧面轮廓。

背光照明常用于测量物休的尺寸和定物体的方向。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。

4、漫射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。

连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。

5、同轴照明：同轴光的形成--通过垂直墙壁出来的发散光，射到一个使光向下的分光镜上，相机从上面通过分光镜看物体。

这种类型的光源对检测高反射的物体特别有帮助，还适合受周围环境产生阴影的影响，检测面积不明显的物体。

6、偏振片：只允许振动方向平行于其允许方向的光能通过，垂直分量被截止。

针对具体的应用，从众多的方案中选择一个最好的照明系统是整个图像处理系统稳定工作的关键。遗憾的是，没有一个通用的照明系统能够适应各种场合。但由于LED光源多形状及多颜色等特点，我们还是找到一些挑选视觉光源的方法，主要方法有以下两种：

1. 观察试验法(Look and Experiment-最常用的)

尝试着用不同类型的光源在不同的位置照射物体，然后通过相机观察图像

2. 科学分析法(Scientific Analysis-最有效的)

分析成像的环境，推荐最好的解决方法。

观察试验法

一、准备工作

1、测试样品要丰富，要有不同种类的完好样品及问题样品，尽可能的让样品出现所有的问题，特别是要有最难检测实际有问题的样品。

2、有多款备用测试光源，LED光源常见的几大类，以及不同的颜色都要有。

二、环境要求分析

1、从客户那里了解对系统结构及运行的要求，确定工业相机、光源、被测物的空间结构关系。确定的参数有：视场(FOV),工作距离(WD)；

2、空间结构有: 直射，侧射，背部照射：

直射结构的光源—部分环形光源，同轴光源，圆顶光源；

侧射结构的光源—部分环形光源，条形光源，线光源，点光源；

背部照射—方形背光源，条形背光源。

三、物体表面纹理及颜色分析

1、物体表面是曲面还是平面？物体表面是否光滑？反光是否很强？

曲面检测宜用圆顶光源，光滑平面宜用同轴光源，粗糙平面宜用明视场光源。

2、物体的透光性怎样？

透光性好的物体可以用IR光源。

3、分清背景(我们不需要检测的)是什么颜色，前景(我们要检测的)是什么颜色？

好的光源就是有一个好的对比度---背景与前景很清楚。

4、前景颜色多变化

宜用彩色光源及白色光源；

四、实物测试

我们可以初步选定一款光源开始测试。可能会遇到的问题(与光源有关)：

1、前景亮度不够？前景是什么颜色？建议换与前景颜色相同的光源测试。

2、整个图像亮度不够？建议将光源靠近物体一些，或者采用频闪，或者换波长短一些的光源。

3、图像泛白？建议降底光源亮度，或将镜头的光圈减小。

4、图像亮度不均匀？检查光源放平没有？

科学分析法

该方法主要是根据被测物表面特性以及要检测的瑕疵特性等，从光源照射方向、角度、颜色等方面进行分析，用户可结合之前两篇文章中相关的介绍，当然即使经过了分析，还是需要经过实验验证。

最后我们大致总结出，光源选型中的一些技巧，选型时可参考：

1、需要前景与背景更大的对比度?–考虑用黑白相机与彩色光源

2、环境光的问题?–尝试用单色光源，配一个滤镜

3、闪光曲面?–尝试用散射圆顶光

4、闪光，平的，但粗糙的表面?–尝试用同轴散射光

5、看表面的形状?–考虑用暗视场(低角度)

6、检测塑料的时候–尝试用紫外或红外光

7、需要通过反射的表面看特征?–尝试用低角度线光源(暗视场)

8、组合光源有时也能解决问题

9、频闪能够产生比常亮照明20倍强的光