機器視覺照明分析標椎

機器視覺照明的實用指南

照明的質量和適當性是創建一個穩健和及時的視力檢查的關鍵方面。要設計一個有效的視覺照明解決方案，您需要對檢查環境進行全面的分析，包括樣本演示和樣本/光交互，以及了解照明類型、技術、幾何、過濾、傳感器特性和顏色。設計和遵循嚴格的照明分析序列提供了一個一致和健壯的環境，從而最大限度地利用時間、精力和資源——在視覺系統設計、測試和實現的其他關鍵方面中更好地使用的項目。

也許視覺系統設計和實現的其他方面一直沒有比照明造成更多的延遲、成本過剩和普遍的恐慌。從歷史上看，照明通常是指定、開發或資助的最后一個方面，如果有的話。這種方法并不是完全沒有根據的，因為直到最近市場上還沒有真正的視覺特定的照明，這意味著照明解決方案通常由標準的白熾燈或熒光消費品組成，有不同數量的環境貢獻。

本指南旨在提出一種標準的方法來開發適合樣本的照明，而不是深入討論理論處理。它詳細說明了實際框架中的相關方面，并在適用時提供了以下領域的例子：

＊了解照明類型和應用的優缺點、視覺相機和傳感器的量子效率和光譜范圍、照明技術及其＊相對于表面平面度和表面反射率的應用領域

＊熟悉視覺照明的四個要素：幾何形狀、圖案或結構、波長和濾波器

＊對即時檢查環境（物理約束和要求）以及?樣品/光相互作用的詳細分析

＊當您收集和分析了這些區域的信息后，關于特定樣本和檢查要求，您可以實現機器視覺照明分析的主要目標——一致提供符合三個驗收標準的樣本適當照明：

機器視覺照明分析的標準

1：最大限度地增強與目標的特征之間的對比；

2：最小化其他地方的亮度

3：穩定可量化的測量

圖一

上圖.紙箱包裝紙上的玻璃紙包裝紙顯示，左側滿足所有三個驗收標準，而右側僅滿足標準一和二。在這種情況下，皺紋并不能排除條形碼的良好讀取。

視覺照明光源和光譜含量

現在，機器視覺中常用的光源是熒光燈，石英鹵素燈，LED，金屬鹵化物（汞）和氙氣。

熒光燈，石英鹵素燈和LED是機器視覺中使用最廣泛的照明類型，尤其是對于中小型檢查站。金屬鹵化物，氙和高壓鈉更通常用于大規模應用或需要非常明亮的光源的區域。金屬鹵化物（也稱為汞）經常用于顯微鏡檢查，因為它具有許多離散的波長峰值，這補充了濾光片用于熒光研究的作用。氙氣源對于需要非常亮的頻閃燈的應用很有用。圖2顯示了應用于機器視覺的熒光燈，石英鹵素燈和LED照明類型的優缺點以及相關的選擇標準。例如，盡管LED照明的預期壽命更長。

圖2：覺光源的比較。

歷史上，最常使用熒光和石英鹵素燈光源。近年來，LED技術在穩定性，強度和成本效益方面得到了改善。但是，對于大面積照明，它仍然不具有成本效益，特別是與熒光燈光源相比。但是，如果應用程序的靈活性，輸出穩定性和壽命是重要的參數，則LED照明可能更合適。根據確切的照明要求，通常您可以針對一種特定的實現方式使用不止一種光源類型，并且大多數視覺專家都認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，還要考慮其光譜含量（圖3）。例如，在顯微鏡應用中，通常使用全光譜的石英鹵素，氙或汞源，特別是在彩色成像時；然而，隨著“全色RGB”和白色LED燈頭的出現，單色LED光源也可用于黑白CCD相機，現在也用于彩色應用。

在那些需要高光強度的應用中，例如高速檢查，將光源的光譜輸出與特定視覺攝像機的光譜靈敏度相匹配可能會很有用（圖4）。例如，基于CMOS傳感器的攝像機比其電荷耦合器件（CCD）同類攝像機具有更高的IR敏感度，在使用IR LED或富含IR的鎢源時，在光線不足的檢查設置中具有顯著的靈敏度優勢。

圖3：對強度與光譜含量

圖4：感器的絕對量子效率與波長的關系

此外，圖3和圖4展示了選擇照相機和光源時要考慮的其他幾個相關點：

嘗試使傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長匹配，以充分利用其輸出。

當與窄通濾光片匹配時，諸如單色LED或汞之類的窄波長源有利于通過戰略波長。例如，紅色660 nm帶通濾光片與紅色LED燈匹配時，可以有效地阻止車間地面上的環境光從頭頂上的熒光燈或水銀光源發出。

陽光具有原始強度和寬帶光譜含量，使用不透明的外殼可以質疑任何視力檢查結果。

即使您的大腦擅長于解釋您的眼睛所見，但人類的視覺系統在最終靈敏度和光譜動態范圍方面仍然嚴重不足–讓您的眼睛觀看由視覺相機獲取的圖像。

最佳照明解決方案的注意事項

檢查環境

在3D空間中充分了解即時檢查區域的物理要求和限制至關重要。特別是，根據特定的檢查要求，使用機器人取放機器或預先存在但必要的支撐結構可能會通過強制折衷，而不僅限于以下類型，從而嚴重限制了有效照明解決方案的選擇：照明及其幾何形狀，工作距離，強度和圖案。例如，您可能確定需要漫射光源，但由于近距離，自上而下的訪問受限而無法應用。在高速線路上進行檢查可能需要強烈的連續光或頻閃燈以凍結運動，當然，大物體對照明提出了完全不同的挑戰。此外，一致的零件放置和表示也很重要，特別是取決于要檢查的特征；但是，如果完全理解的話，甚至可以開發出用于零件放置和外觀不一致的照明，這是萬不得已的方法。

環境光

環境光輸入的存在可能對檢查的質量和一致性產生巨大影響，特別是在使用白光等多光譜源時。 最常見的環境貢獻者是頭頂的工廠燈和陽光，但偶爾來自其他檢查站或甚至同一工作單元中的其他站點的錯誤視覺特定任務照明可能會產生影響。

三種用于處理環境光的有效方法：

（1）具有短持續時間脈沖的高功率選通脈沖；

（2）物理外殼；

（3）通過濾波器。采用哪種方法是許多因素的函數，大多數因素將在后面的部分中詳細討論。大功率頻閃燈只會淹沒并沖刷掉對環境的影響，但在人體工程學，成本和實施工作上卻有缺點，而且并非所有光源（例如熒光燈）都可以頻閃。如果您不能使用頻閃燈，并且如果應用程序要求使用彩色相機，則必須使用多光譜白光才能實現準確的色彩再現和平衡。在這種情況下，狹窄的波長通過濾光片是無效的，因為它將阻止大部分白光貢獻，因此，封閉是最佳選擇。

圖5

圖5。 左圖顯示Nyloc螺母帶有紫外線環光，但充滿紅色660nm“環境”光。 目標是確定尼龍的存在/不存在。 鑒于環境貢獻較大，很難從樣品中獲得相對低產量的藍色熒光光的足夠對比度。 正確的圖像具有相同的照明，除了在相機鏡頭上安裝了510nm的短通濾波器，有效地阻擋了紅色的“環境”光，并允許藍色的450nm光通過。

產品/光相互作用

產品的表面如何與特定任務和環境光相互作用，與許多因素有關，包括總表面形狀、幾何形狀和反射率及其組成、地形和顏色。 這些因素的一些組合決定了多少光，以及以什么方式反射到相機，然后可用于采集、處理和測量。 例如，彎曲的鏡面，如蘇打罐的底部（圖6），反射方向光源不同于平面的漫射表面，如復印紙。 同樣，地形表面，如填充的PCB，反映與平面但精細紋理或酒窩（圖7）表面不同，這取決于光的類型和幾何形狀。

圖6。在左邊，蘇打水罐的底部被一個明亮的場圈燈照亮，但顯示出對比度差，不均勻的照明，和鏡面反射。在右邊，蘇打水可以用漫射光成像，創造一個均勻的背景，這樣代碼就可以被讀取。鏡面發射與漫反射的區別。

圖7。 左邊的pcb BGA鋼網焊盤點被亮場環光照亮。 右邊用低角度線性暗場光成像。 光模式的簡單變化創造了更有效和更健壯的檢查，左邊是正面正向打光，右邊是底部打光，能更好地檢測PCB鋼網BGA焊點是否正確。打光方式的重要性。

顏色分析

圖8-色輪

材料以不同的方式反射和/或吸收各種波長的光，這種效果對黑白和彩色成像空間均有效。像顏色一樣反射，表面變亮。相反，相反的顏色會吸收并且表面變暗。使用簡單的色輪（暖色和冷色）（圖8），您可以在零件及其背景之間產生差異的對比（圖9），甚至在給定有限的已知色板，黑色和白色的情況下，可以區分零件。白色相機（圖10）。

圖9.在（a）紅光，（b）綠光，（c）藍光下成像的郵件郵票，其對比度低于綠色，（d）白光，生成的對比度低于藍色或綠色。白光會對比所有顏色，但這可能是對比度的折衷。

圖10.在（a）白光和彩色CCD相機下，（b）白光和黑白相機，（c）紅光下，紅色和黃色同時變亮，藍色變暗，對糖果碎片成像（d ）紅色和綠色光，產生黃色，使黃色比紅色更亮，（e）綠色，使綠色和藍色變亮，使紅色變暗，（f）藍色，使藍色變暗，其他變暗。

補色搭配

在色輪上直線相對的兩種顏色稱為補色，在上圖中，是橙色及藍色。補色形成強列的對比效果，傳達出活力、能量、興奮等意義。補色要達到最佳的效果，最好是其中一種面積比較小，另一種比較大。比如在一個藍色的區域里搭配橙色的小圓點。

產品成分和透光率

產品成分會極大地影響光線照明撞擊在零件上的情況。有些塑料只能透射某些波長范圍的光，否則是不透明的。有些可能不透射光，而是在內部散射光；還有一些可能吸收光只是重新發射相同波長或不同波長（熒光）的光。熒光標簽和染料也常用于印刷行業的油墨中（圖11）。

圖11.左側的機油瓶被660 nm紅色環形燈照亮。在右邊，瓶子用360 nm UV熒光燈照亮。

出于多種原因，紅外光的屬性在視力檢查中很有用。首先，紅外光可有效消除基于顏色的對比度差異，這主要是因為紅外光的反射更多地基于樣品成分而不是顏色差異。當想要的對比度（通?；诎坠獾念伾瓷渎剩┹^低時，可以使用此屬性（請參見圖12）。

圖12.左側的光面紙樣品處于散射白光下。右邊在漫射紅外光下。

紅外光在穿透聚合物材料方面比短波長（例如紫外線或藍色，在某些情況下甚至是紅色）要有效得多（請參見圖13）。相反，正是由于缺乏穿透深度，藍光才使黑色橡膠化合物的淺表面特征成像或激光蝕刻更加有用。

圖13.在填充的PCB中，紅色的穿透率為660 nm（左圖），紅外光為880 nm。請注意，盡管紅色從電路板頂部中心的孔中溢出，但IR的穿透性更好。

偏振濾光器成對使用時，一個在光與樣品之間，另一個在樣品與相機之間，通常通過螺紋固定在鏡頭上，可用于檢測其他透明樣品中的結構晶格損傷（圖14）。

圖14.左側顯示了一個透明的六包裝的塑料罐支架，帶有紅色的背光燈。右側顯示相同的內容，只是添加了一對偏振片，顯示了聚合物中的應力場。

特別是當用于阻擋樣品上的鏡面反射時，任何使用偏振濾光片都會帶來固有的折衷。圖15中所示的圖像展示了專門用于阻擋眩光的偏振濾鏡的中等有效和高度有效的使用。在圖15a-c所示的樣本中，您看到從曲面（例如此個人護理產品瓶）反射的眩光是可以控制的，但不能完全消除（請參見圖15b的中心區域）。這是正確的，因為定向光源會在曲面上產生多個反射方向，并且偏振濾鏡無法同時阻擋所有振動方向，因此總是使某些區域漸暈。在這種情況下，考慮到靈活性，更有效的眩光控制方法是重新考慮照明幾何形狀。通過簡單地將光從透鏡的同軸位置移到相對較高的角度（但在軸外位置），就可以完全消除所有鏡面反射。相反，對于圖15d-e中所示的相對平坦和平坦的罐頂表面，可以很大程度上去除鏡面眩光，從而產生清晰的圖像以供檢查。但是，使用雙偏振器的一個警告是它們可以大大減少允許的光-在罐頂示例中最多可以減少2?f-光圈，這對于高速，光線不足的檢查可能是有害的。您可以在很大程度上消除鏡面眩光，產生清晰的圖像以進行檢查。但是，使用雙偏振器的一個警告是它們可以大大減少允許的光-在罐頂示例中最多可以減少2?f-光圈，這對于高速，光線不足的檢查可能是有害的。您可以在很大程度上消除鏡面眩光，產生清晰的圖像以進行檢查。但是，使用雙偏振器的一個警告是它們可以大大減少允許的光-在罐頂示例中最多可以減少2?f-光圈，這對于高速，光線不足的檢查可能是有害的。

圖15.更改燈光/樣本，相機的幾何形狀或類型可能比應用偏振鏡阻止眩光更有效。（a）不帶偏光鏡的同軸環形光。（b）帶偏振器的同軸環形光（注意一些殘留的眩光）。（c）無偏光器的離軸（平行于樣品長軸的光軸）環形光。（d）不帶偏光鏡的同軸環形光。（e）帶偏振器的同軸環形光（注：2?f擋光圈開口）。

照明技術

照明技術包括背光，漫射（也稱為全亮場）照明，亮場（實際上是部分亮場或定向）照明和暗場照明。

圖16.背光

背光照明

背光照明可在明亮的背景上創建深色輪廓時產生即時對比度（圖16）。最常見的用途是檢測是否存在孔和間隙，零件放置或定向或測量物體。如果需要精確的（子像素）邊緣檢測，通常使用單色光（例如紅色，綠色或藍色）很有用，并且具有光控制偏振。

圖17 a。圓頂擴散

漫射（全亮場）照明

漫射或全明場照明最常用于需要均勻甚至多向光的發亮鏡面反射或混合反射率樣本。通?？梢允褂寐湔彰鞯膸追N實現方式，但是有三種主要類型（圖17a–c），其中半球形的圓頂/圓柱體或同軸是最常見的類型。

圖17 b。同軸擴散

漫射球頂燈可以有效地照明彎曲的鏡面表面，例如在汽車行業中常見的。同軸光以類似的方式用于平坦的樣品，并且在增強相對平坦的對象上的角度，紋理或地形特征方面特別有效。為了有效，散射光，尤其是圓頂燈，需要靠近樣品。

圖17 c。平面擴散

軸向漫射照明的一個有用特性是，在這種情況下，如果可以將眩光單獨隔離以唯一地定義一致且連續的所需特征，那么實際上可以利用眩光，而不是拒絕或避免鏡面眩光。堅固的檢查。

部分明場或定向照明

部分明場照明是最常用的視覺照明技術，并且是每天使用的最熟悉的照明，包括日光。這種類型的照明與全亮場的區別在于它是定向的，通常是從點光源發出的，并且由于其定向特性，它是生成對比度和增強地形細節的理想選擇。它的效果要差得多，但是當與鏡面表面同軸使用時，會產生熟悉的“熱點”反射。

圖19.暗場照明

暗場照明

盡管您確實在日常生活中使用了這些技術，但在所有這些技術中，對暗場照明的了解最少。例如，汽車前燈的使用依賴于以小角度入射在路面上的光，這些光從小的表面缺陷以及附近的物體反射回來。暗場照明可以細分為圓形和線性或定向類型，前者需要特定的燈頭幾何設計。這種類型的照明的特征是入射角低或中等，通常需要緊密接近，尤其是對于圓形燈頭品種（圖19）。

明場與暗場

下圖說明了鏡像表面上的圓形定向（部分亮場）和圓形暗場燈在實現方式和結果上的差異。

圖20 a。鏡子的明場圖像                   圖20 b。鏡子的暗場圖像

暗場照明的有效應用依賴于這樣一個事實，入射到鏡面的許多光會以遠離而不是朝向相機的方式反射，否則會由于熱點眩光而淹沒場景。反射回相機的光線相對較少，恰好抓住了表面上小特征的邊緣，滿足了“反射角等于入射角”等式（另請參見圖21）。

圖21.左側的花生脆袋位于明亮的環形照明燈下。在右側，它處于暗場環形燈下-注意接縫非常明顯。

應用領域

圖22根據兩個最普遍的總表面特征說明了不同照明技術的潛在應用領域：

（1）表面平整度和紋理。

（2）表面反射率。

該圖繪制了表面反射率，分為三類（遮罩，鏡面和混合）與表面平整度和紋理或形貌。在圖表上向右和向下移動時，需要更專業的照明幾何形狀和結構化的照明類型。

可以預期，“幾何無關區域”表示相對平坦且漫射的表面不需要特定的照明，但是只要滿足所有其他必要條件（例如工作距離，可見性，亮度和投影圖案）。

圖22.照明技術的應用領域：表面形狀與表面反射率的詳細信息

照明分析順序

以下照明分析序列假定您具有照明類型，相機靈敏度和光學方面的工作知識，并熟悉照明技術和視覺照明的四個要素。您可以將其用作檢查清單，但這絕不是全面的。但是，它確實為標準化的方法提供了良好的工作基礎，您可以根據檢查的要求修改和/或擴展該方法。

1：檢查物理環境

（1）產品的限制

在3D空間（工作空間）中選型相機，鏡頭和照明

工作容積的大小和形狀

最小和最大攝像頭，照明工作距離和視野

（2）：零件特性

樣品是靜止的，移動的還是分度的？

如果移動或分度，速度，進給和預期的循環時間？

預期的脈沖率，接通時間和占空比？

有連續振動或沖擊振動嗎？

零件的方向和位置是否一致？

有可能造成環境光污染嗎？

（3）：人機工程學與安全性

人與人之間互動的環環相扣嗎？

與頻閃或強光照明應用有關的安全性嗎？

2樣品/光相互作用

（1）樣品表面

＊反射率-漫反射，鏡面反射或混合反射？

＊整體幾何形狀-平坦，彎曲還是混合？

＊紋理-光滑，拋光，粗糙，不規則，多個？

＊地形-平坦，多高程，多角度？

＊需要光強度嗎？

（2）成分和顏色

＊金屬，非金屬，混合聚合物？

＊零件顏色與背景顏色

＊透明，半透明或不透明-紅外透射？

＊紫外線染料還是熒光聚合物？

（3）輕度光線污染

＊來自頭頂照明或操作員站照明的環境影響？

＊來自另一個檢查站的光污染？

＊來自同一檢查站的光污染？

3目標特征

4應用照明的四個要素

（1）光線-相機 樣本的幾何形狀問題

（2）燈光圖案問題

（3）樣品和背景之間的顏色差異

（4）適用于短，長或帶通應用（包括極化）的濾波器

5照明技術與照明類型

（1）熒光燈與石英鹵素燈，LED與其他

（2）明場，暗場，漫反射或背光

（3）視覺相機和傳感器的量子效率和光譜范圍

概括

如此深入的分析可以而且經常確實會導致看似矛盾的方向，因此必須做出折衷。例如，詳細的樣品/光交互分析可能指向暗場照明技術的使用，但檢查環境分析表明光必須遠離零件。在這種情況下，面向暗場配置的更強的線性條形燈可以創建所需的對比度，但可能需要更多的圖像后處理。

無論分析和理解的水平如何，通常沒有什么替代方法可以首先在工作臺上實際測試兩種或三種光源類型和技術，然后在可能的情況下在實際車間實施測試。并且從頭開始設計視覺檢查和零件處理/展示時，最好首先準備好照明解決方案，然后圍繞照明要求構建其余的檢查。

此詳細分析和應用可能稱為照明類型，技術，技巧和竅門的“工具箱”的目的是幫助您獲得一種最佳的照明解決方案，該解決方案應考慮并平衡人機工程學，成本，效率和一致的應用程序。這可以幫助您更好地指導您的時間，精力和資源-更好地用于視覺系統設計，測試和實施的其他關鍵方面的項目。