機器視覺之照明基礎(chǔ)

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很多關(guān)于機器視覺的最新消息都是關(guān)于機器學習和算法方面的創(chuàng)新。但這些算法需要數(shù)據(jù)才能正確執(zhí)行，這里的數(shù)據(jù)即是圖像。捕獲盡可能最好的圖像是必要的，這樣算法可以在他們的最高水平上執(zhí)行。

圖像噪聲與信號

實體成像首先要確定圖像中的信號（有用信息）與噪聲（無關(guān)或無用的信息）之間的差異，然后使用技術(shù)通過創(chuàng)建對比度來突出顯示前者。

創(chuàng)建對比度需要理解機器視覺的信息流。首先，光源散射在物體上，成像儀收集這些光形成數(shù)字圖像。只有這樣，軟件才能開始提取圖像中的特征（線條、邊緣、文本），以提供有用的信息（尺寸、零件ID）并做出決定（通過、失敗、排序）。通過控制光照，成像儀可以在有用和不相關(guān)的信息之間建立對比。

采用簡單的科學方法可以很容易地找出產(chǎn)生必要對比的最佳方法：

●這個部件是由什么制成的，它對光有什么作用？

●光線如何到達相機？光的幾何結(jié)構(gòu)和路徑是什么？

●什么樣的照明類型和照明幾何結(jié)構(gòu)將為重要特征提供最佳對比度？

●什么時間進行測量以及物體如何運動？

讓零件引導照明選擇

第一步涉及查看零件以確定光如何與表面相互作用。它是鏡面反射，亞光反射，吸收反射，屈光反射還是全部反射？諸如拋光金屬之類的反射部件將以與入射到物體的光相同的角度反射光。磨砂零件將取光并將其散射到所有不同的方向。有些零件的材料會吸收光，例如紙上的墨水。玻璃或液體物體會改變光的方向（折射）。大多數(shù)對象具有這些屬性中的多個。技術(shù)人員可以通過設(shè)置燈光以突出顯示感興趣的特定功能（作為自動檢查或分類系統(tǒng)的一部分）來利用這些差異。簡而言之，他們可以選擇突出顯示信號并最小化任何給定圖像中的噪聲。

第二步涉及查看零件的幾何形狀并想象從光源到零件以及從零件到相機的光的路徑。如果沒有通往相機的路徑，則該圖像的那部分將是暗的。如果光線反射到相機，則圖像的該部分將變亮。更改光線的路徑會使不同的功能變亮或變暗。照明幾何中經(jīng)常使用的兩個術(shù)語是明場和暗場：“場”是背景或物體的平部?！懊髁翀觥闭彰魇侵府攬鍪敲髁恋?。在這種情況下，光線來自于場的上方，并被反射到照相機?！鞍祱觥笔侵钙教箙^(qū)域是黑暗的。這是因為光線被放置在場地的一側(cè)，從而將光線從相機反射出去。

偏光濾鏡有助于減少高反射表面（例如印刷電路板）的眩光。在第一個圖像中，使用了多色燈光照亮PCB，以顯示由直接的非偏振照明產(chǎn)生的各種熱點。第二張照片顯示同一塊板具有交叉偏振光，可減少眩光并顯示隱藏的代碼、字符和特征。

選擇最佳的照明方式

有了對光將發(fā)生什么情況以及光的路徑的了解，技術(shù)人員可以決定光的類型，為零件提供光照的一般方法有六種。

一般明場照明。想象一下照相機周圍的光環(huán)，直視物體。平坦和反射性的特征將比彎曲或吸收性的特征更明亮。這非常適合查看對象上的打印。

同軸照明。照相機直視物體，并且光線與照相機成一直線。串聯(lián)并撞擊到平坦表面的所有光線將直接向相機回射。任何平坦的東西都會很明亮。任何不平坦的物體都將變暗，因為如果光線碰到傾斜的表面，它將反射離開相機。該方法對于突出劃痕或其他表面缺陷非常有效。

圓頂照明或漫射照明。將圓頂照明想象為一個大碗，中間有一個洞。碗面朝下坐著，因此相機正從孔中看，光線照進了碗中，并向各個方向散射。圓頂照明也稱為“陰天照明器”。想象在一個多云但晴天的時候在外面。一切都是明亮的，但沒有陰影，因為云層將光線擴散并散布到整個地方。這種方法非常適用于具有很多不同角度的物體，例如包裝（泡罩包裝和塑料袋）。

一般的暗場照明。相機直視物體，但光線從最低角度入射。將零件視為地平線，將燈光視為剛好位于地平線上方。光線掠過物體并遠離相機。任何凹凸或凹痕都會突出顯示，因為光線會擊中凹凸并向相機反彈。此方法對于使用直接零件標記突出顯示對象非常有效。

背光照明。該方法使用來自零件后面的平坦漫射光，并直接對準相機。該對象將阻擋光線，因此它會顯得很暗，背景變成白色。這使圖像具有非常清晰的邊緣。此方法非常適合測量和檢查液體的填充水平。

結(jié)構(gòu)化的光。使用結(jié)構(gòu)化照明時，一條直線或一系列直線被投影到對象上。亮線將根據(jù)對象的形狀而變化。當對象具有黑色部分時，結(jié)構(gòu)化光很有用。黑色會吸收所有光線，并且相機不可見。通過使用集中的光束，相機可以看到光束，因此可以檢測到例如黑色塑料部件上的黑色O形圈。如果有O形圈，則線條將在圖像中的某個位置；如果缺少O形圈，則亮線將位于其他位置。

合理選擇照明

部署上述任何一種方法時，要注意幾個事項，因為部署不當可能會引入噪聲。首先，要注意環(huán)境光。盡可能多的照明會獲取好的圖像，不需要的光會損害圖像。偏光鏡可減少非金屬零件的眩光。應(yīng)該選擇比工廠照明還要亮的光源。請注意避免陽光直射，如有必要，請覆蓋該區(qū)域，以防止有害的光線進入。其次，請注意，如果您將光路的距離加倍，則光線是調(diào)光器的四倍。光源的亮度很重要，因為要捕獲圖像需要一定的曝光時間。曝光時間是指相機從物體上收集光的時間。曝光時間越長，相機在給定時間內(nèi)可以收集的圖像越少。如果物體在移動，則較長的曝光會導致圖像模糊。因此，光線昏暗可能會使功能模糊，并降低吞吐量。重要的是要注意在需要較遠照明的情況下，請考慮使用聚焦照明或頻閃照明。

最后，我們需要討論一下顏色。在單色相機上使用彩色燈光或濾色鏡是一種高亮或隱藏圖像特征的非常有效的方法。綠色物體之所以是綠色的，是因為它們反射綠色波長，吸收藍色和紅色波長。如果你最近沒有這樣做，請檢查一個色輪。知道輪子上什么顏色是相對的是有幫助的。你可以用喜歡的顏色使物體變亮，用相反的顏色使物體變暗。例如，如果你用藍光照射藍色物體，它們會在單色圖像中呈現(xiàn)白色，因為它們反射了所有的藍光。其他顏色會吸收藍光，顏色會變深。與此同時，CMOS成像儀對紅光更加敏感，這也避免了來自藍色和更短波長的紫外線對眼睛的潛在傷害。色彩濾鏡用于排除噪音。當濾光片放在相機前時，它們可以切斷不需要的波長，或者只允許需要的波長。

利用視覺進行物體檢查有無限的可能，通過這些步驟，可以找到合適的照明以突出顯示高品質(zhì)圖像所需的功能。

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