选择最合适机器视觉照明的八个小技巧

1、 光源简介    

什么是光源呢？光源指的是“能发出可见光的物体，如太阳、灯、火等。物理学上指能发出电磁波的物体”。简单理解下即可，我们更感兴趣的是在视觉系统应用中，什么样的光源才是“好”光源。只有知道什么样的光源是好的光源，我们才能正确地进行光源选型。下面，我们给出几条“好”光源的标准：

1. 将ROI区域（感兴趣区域）和其余部分的灰度值差异加大

2. 弱化非ROI区域

3. 光照强度要足够，提高信噪比，方便图像处理

4. 稳定且寿命长

5. 成本低

6. 光源的均匀性要好

上面6点中，第3、4、5、6点是光源自身的性能要求，和检测对象无关。至于第1点和第2点，除了和光源自身有关，还和检测对象有关，需要选择不同种类的光源。

目前市面上常见的光源种类主要有：LED灯、卤素灯、荧光灯、白炽灯等。这里，我们可以简单地选择LED灯即可（大部分情况下，LED优势很大）。

在进一步的选型讨论之前，我们先来学习下和光源相关的一些基本概念：显色性、色温、波长、发光强度、光照强度、光通量、相邻色和互补色。

显色性：光源对物体的显色能力，使用显色指数(Ra)表示，最高为100。

色温：表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。

波长：波在一个振动周期内传播的距离。

发光强度：简称光强，表示光源在单位立体角内光通量的多少。

光通量：人眼能感觉的辐射功率，单位为“流明“，符号lm。

照度：单位面积上所接收可见光的光通量，单位为流明/平方米，或者称Lux/lx。

相邻色和互补色：相邻色是在色环上相邻/同种的颜色，叠加后在黑白相机中呈现浅色。互补色是在色环上相对的颜色，叠加后在黑白相机中呈现深色。色环图如下所示：

2、 打光方式    

打光的概念和分类

1、正面光/入射光：相机和光源在同一测。

典型的有同轴光、环形光、条形光源的等。

2、背光/透射光：相机和光源位于被检测物体的两侧。

典型的光源是背光源；

3、明场照明：光源和被测物体呈一定角度，使大部分光反射到相机上；

典型的高角度环形光源，条形光源等。

4、暗场照明：光源和被测物体呈一定的角度，使大部分光源不能反射到相机上，让少部分光或者特定的光反射到相机里；

典型的光源是低角度光源；

实际应用案例（实际使用中，仅供参考，在选择光源时，先按照常规套路选择同轴光或者环形光，再选择光源的颜色，常规套路不行嘛，就是在常规的基础上做大量测试）

（总结于自己使用的经历）在实际使用中常用的就是四种，同轴光源，环形光源，条形光源和背光源；

1、背光源：一般就是用于尺寸轮廓检测，如果使用正面照射，反射会造成虚影，损失像素，从而精度降低；

2、条形光源：大部分时候一般不单独使用一条，多用于几条组合在一起使用，构成角度光，优点比较灵活。配合拱形光滑顶面可以做成圆顶光源，均匀性比较好。

3、环形光：一般用作定位、检测特定的缺陷，很难检测一个产品上有很多种缺陷时，环形光就显的比较局促了。

4、同轴光：产品上缺陷比较多的时候，使用同轴光比较合适，例如，产品表面有发黄，油污，划伤（比较深的）等。缺点也很明显，就是光源在一定面积里有衰减，主要因为同轴光的发光原理时使用分光镜折射产生的，离光源较远的就比较暗，离光源较近的就比较亮；一般如果需要使用的话，按照我个人经验，选择比较大的同轴光，被检测物相对较小，可以选择比较均匀的位置检测

打光方式也可以分为如下几种：背部打光、高角度打光、低角度打光和投射打光。

背部打光：待检测物体在光源和相机之间。在最终的图像中，会清晰地显示物体的外轮廓。可以用来检测物体的尺寸、检测物体的放置方向、检测是否存在孔和间隙。

高角度打光：光线方向和待检测表面所成夹角比较大。高角度打光时，表面平滑的部分在图像中显示偏亮，表面结构复杂的地方，如划伤、凹痕，在图像中显示偏暗。

cvtutorials.com注释：高角度打光时候，表面平滑的部分会发生镜面反射，反射的光线会进入到相机镜头中，所以看起来比较明亮。表面结构复杂的部分会发生漫反射，只有部分光线会反射到相机镜头中，所以在图像中显示偏暗。初见高角度打光这种打光方式时，我突然就联想到了初中物理中曾经做过的一个题目，迎着月亮和背着月亮，如何分辨水坑和正常道路，背后的原理是类似的。

低角度打光：光线方向和待检测表面所成夹角比较小。低角度打光时，表面平滑的部分在图像中显示偏暗，表面结构复杂的地方，如划伤、凹痕，在图像中显示偏亮。

cvtutorials.com注释：理解镜面反射和漫反射的概念后，你可以自己尝试给出平滑偏暗、划伤偏亮背后的原因。

透射打光：待检测物体在光源和相机之间，待检测物体是半透明或者透明的。 

  选择最合适机器视觉照明的八个小技巧    

机器视觉系统中的照明系统是极其重要的一部分，它的好坏直接影响着后面的图像处理。好的照明系统可以减少很多图像处理工作，提升整个机器视觉系统效率。那么照明是怎样一门学问呢？如何在机器视觉系统中选择合适的照明系统呢？

合适的照明是机器视觉应用成功的关键，而且是第一要考虑的部分。一个设计良好的照明系统不仅会带来更好的性能，节约时间，而且从长远来看能节约成本。下面来分享选择最合适机器视觉照明的八个小技巧，它们是：

1、检测材料缺损请使用亮度高的光；

2、精确定位请使用合适波长的光；

3、检测玻璃上的刮痕请使用非漫射的光，即Non-Diffused Light；

4、检测透明包装请使用漫射光，即Diffused Light；

5、创造对比请使用颜色光；

6、检测快速移动物体请使用频闪光；

7、消除反射时请使用红外光；

8、消除颜色变化请使用红外光。

照明是怎样影响机器视觉应用的呢？

对于将质量最为输出的机器视觉系统依赖于图像质量。高质量的图像使得系统能够精确地解释出从检测物体中提取的信息，这样就可以产生可靠的并可重复的系统性能。在任何视觉应用中需要的图像质量很大程度上取决于照明条件：颜色，角度和使用照明对象的光源数量意味着好图像之间的差异，有可能会产生更好的性能，也会带来质量差的图像，产生不好的结果。

机器视觉照明应该最大化特征对比，同时最小化其它剩下的对比度，因此让相机清晰看到部分或标记。高对比度特征简化集成和提高可靠性；对比度差的图像和不规则的照明需要来自系统的更多努力，而且也增加了处理时间。最优的照明取决于检测物体的尺寸，它的表面特征和部分几何特征和系统需求。具有宽范围的波长（颜色），视场（尺寸），对于特殊应用需要，就可以灵活的选择机器视觉照明。

当选择照明时需要考虑以下五个方面：

1、表面是光滑，还是崎岖不平？

2、表面是暗淡，还是光亮？

3、对象是弯曲的，还是平坦的？

4、条码或标记的颜色是怎样的？

5、是检测移动的物体，还是静止的对象？

技巧1：使用亮光去检测材料缺损

比如在塑料浇注中验证是否不足

从塑料浇注应用中验证材料缺损对于确保良好的密封表面是重要的。当有材料缺损时，你有了不足的条件（比如浇注到模型中的材料不充分）。

照明技术：亮场

亮场照明技术依赖表面纹理和平坦地形。光线遇到平坦反光的表面将光线反射回到相机，创立一个亮区域。粗糙纹理或表面缺损会将光线散射而远离相机，创立了暗区域。

技巧2：对于精确组件定位使用合适的波长

比如检测倒装芯片（Flipped Chips），在PCB装配中验证合适的零件方向是常见的机器视觉应用。

照明技术：亮场

为了验证装配问题，使用蓝光波长的打亮芯片方位。这个照明技术依靠波长和同轴照明几何。蓝色波长（460 纳米）能很好地区分银质和铜质表面：铜吸收蓝光呈现出暗场，银反射蓝光呈现亮场。同轴照明几何消除错误反射：不想要的耀眼点，反射和暗点。

技巧3：在玻璃中检测裂痕使用非漫射光

比如检测玻璃容器上的裂痕

照明技术：暗场

在这个应用当中，用暗场照明来创立一个明亮的，在暗背景下容易检测的感兴趣特征。在一个暗场区域中光线直接通过透明的瓶子。大多数穿透透明对象的光线不会被相机检测到。如果材料不规则，比如有裂纹，一些光线就会凸显出这个不规则。特别是划痕创立了一个内部空缺，这里光线折射和反射，以许多角度散射包括返回给相机。这些光线将很难检测的划痕转换到暗背景下的亮特征。

技巧4：检测透明包装使用漫射光

比如验证吸塑包装的内容

照明技术：连续漫射

连续的漫射照明技术不强调表面纹理和升高中的变化。它提供了非常大的固定照明角度，从多角度让光线找到对象上，因此消除了反射和典型的非方向性或单个光源产生的阴影。

技巧5：使用颜色创造对比度

在机器视觉应用中创造一个高对比度图像的一个有用的方法是用特殊波长（彩色）的光照明物体。对于黑白相机来讲，光的波长能使得跟彩色一样的特征变亮或变暗。使用彩色轮子作为参考，选择一个相反颜色的光来使得特征变暗；或选相同颜色的光使得特征变亮。

例如：

1. 如果你想变暗的特征是红色，则使用绿光；

2. 使用绿光能使得绿色特征呈现更亮；

3. 记住铝上刻印在红光和蓝光下的区别。

技巧6：针对快速移动的物体使用频闪光

当物体快速移动成像是模糊时，就需要使用频闪光。频闪宽度 = 视场÷ 像素/移动速度

技巧7：消除反射使用红外光

机器视觉系统依靠数字图像中的灰度级转化。在许多视觉应用当中，环境光带来了不想要的亮反射，这样使得检测感兴趣特征变得困难或不可能。红外光就能解决这个问题。

技巧8：使用红外光消除颜色差异

红外光能用于在彩色对象之间消除灰度差别。暗对象吸收红外波长，创造出一致性，而其它则呈现阴影。这个照明方案有利于检测颜色或阴影变化的非一致性。

为机器视觉系统选择合适的照明方案，需要从多方面来考虑，从这些小技巧中选择可取的，结合到自己的系统特点中去，相信会事半功倍！

3、光源配件

 滤镜：在镜头前面加上滤镜可以允许一个波段的光通过滤镜，同时阻断一定波长的光通过。滤镜的选型基本步骤如下：

 选择镜头口径尺寸适配的滤镜尺寸

 选择允许通过光源的波段

选择合适的滤镜型号

棱镜：棱镜是“一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，用以分光或使光束发生色散”。棱镜常见的分类方式如下：色散棱镜、偏转棱镜、旋转棱镜和偏移棱镜。使用棱镜的一个场景是可以几乎同时看到一个6面体的5个面。

偏光器：在光源的出光位置安装偏振片，可以将光源发射的光转换为线偏振光。在镜头前面加上偏振镜，将其旋转到合适的方向，可以有效地消除高反光，增强图像的对比度。实际工业应用场景中，尤其是在待检测对象表面光滑高反光的情况下，目标物体表面常常会出现光斑，会严重干扰图像的成像质量，可以使用偏光器提高成像质量。

光源延长线：购买光源之前，最好考虑实际场景，选择光源延长线作为附件，会为后面省下一些麻烦。

光源控制器：光源控制器有手动调节方式，也有程序控制方式，可以在视觉算法验证阶段使用手动调节方式选择合适的参数，然后使用程序进行频闪拍照，常用的控制方式为RS232。

4、光源选型经验

一般来说，光源生产商为了销售自家的产品，会在产品手册上标注某光源产品适用的场景，这是从光源到应用场景的一对多的映射。但是从用户角度而言，更需要根据实际应用场景缩小光源的选择范围，所以，我这里给出应用场景到光源的一对多的映射。

通用需求场景：

 二维码识别：高角度环形光、同轴光源

损伤和赃物检测：高角度环形光

字符识别：高角度环形光

边缘识别：低角度环形光

金属表面划伤、损伤检测：低角度环形光、低角度漫射无影光源、方形漫射无影光源

高反光表面划伤检测：同轴光源

大面积颜色识别：开孔背光

大面积产品定位：开孔背光

尺寸测量：背光源

具体行业应用场景：

太阳能电池板尺寸测量：导光型背光

芯片、硅片的破损检测、字符检测：同轴光源、环形光源

显示屏缺陷检测：同轴光源

电路板字符识别：同轴光源

电路板焊锡检测：AOI光源

手机类涂胶检测：同轴光源

手机类背表面缺陷检测：线光源

液晶面板灰尘检测：线光源

布匹印花缺陷检测：线光源

O型圈外观检测：低角度环形光

机器人定位抓取：大颗粒条形光源

汽车行业零部件的有无检测：大颗粒条形光源、漫反射条光源

发动机涂胶检测：开孔背光

审核编辑：刘清