机器视觉中的光源介绍及打光方案

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机器视觉中的光源介绍及打光方案

2024-07-10 18:14| 来源: 网络整理| 查看: 265

3.1 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:3.2 打光方式

打光方式主要分为如下几种: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。3.3 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:1. 选择镜头口径尺寸适配的滤镜尺寸2. 选择允许通过光源的波段3. 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。3.4 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


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