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機器視覺(jué)系統的核心是圖像的采集和處理。
所有信息均來(lái)源于圖像,圖像的質(zhì)量對整個(gè)視覺(jué)系統極為關(guān)鍵。
一幅好的圖像可以提高整個(gè)系統的穩定性,從而大大降低圖像處理算法的難度,同時(shí)提高系統的精度和可靠性。
一幅好的圖像應該具備如下條件:
?對比度:對比度明顯,目標與背景的邊界對比清晰,要求目標與背景灰度值至少相差30以上;
?均勻性:要求圖片整體亮度均勻,或整體不均勻但灰度差不影響圖像處理;
?真實(shí)性:與顏色有關(guān)的還需要顏色真實(shí),亮度適中,不過(guò)度曝光,過(guò)度像素滿(mǎn)足精度檢測要求;
?干擾性:背景盡量淡化。
而光源是影響機器視覺(jué)系統圖像質(zhì)量的重要因素,它直接影響輸入數據的質(zhì)量,所以在整個(gè)機器視覺(jué)系統中,光源有著(zhù)關(guān)鍵性的作用。
由于目前尚沒(méi)有一個(gè)通用的機器視覺(jué)照明設備,因此針對每個(gè)特定的案例,設計合適的照明裝置,以達到不錯的效果。
常見(jiàn)的視覺(jué)光源
機器視覺(jué)常用的一些光源主要有:LED燈、光纖鹵素燈、氙燈、高頻熒光燈等。
01
LED燈
壽命約30000-100000小時(shí);
優(yōu)點(diǎn):可以使用多個(gè)LED達到高亮度,同時(shí)可組合不同的形狀,響應速度快,波長(cháng)可以根據用途選擇。
02
光纖鹵素燈
使用壽命約1000小時(shí)左右;
優(yōu)點(diǎn):亮度高;
缺點(diǎn):影響速度慢,幾乎沒(méi)有光亮度和色溫的變化。
03
氙燈
使用壽命約1000小時(shí)左右;
優(yōu)點(diǎn):亮度高,色溫與日光接近;
缺點(diǎn):響應速度慢,發(fā)熱量大,壽命短、工作電流大、供電安全要求嚴格、易碎。
04
熒光燈
使用壽命約1500-3000小時(shí);
優(yōu)點(diǎn):擴散性好、適合大面積均勻照射;
缺點(diǎn):響應速度慢,亮度較暗。
各種視覺(jué)打光方式
背光照明方式
1、漫射背光源貫穿透射
結構描述:漫射背光源置于待測工件正下方,攝像系統垂直于工件和光源進(jìn)行拍照。
主要應用:存在性檢測、計數、薄片邊緣檢測、透明體表面和內部不透明異物或臟污檢測、透明體和半透明體突變型和部分漸變缺陷、鏤空打標檢測等。
優(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)單,整體價(jià)格較低,尺寸檢測效果穩定可靠。一般情況下圖像只有黑白兩種區域,便于處理。相機正對光源拍攝,亮度容易滿(mǎn)足。
缺點(diǎn):大部分在線(xiàn)檢測項目不方便使用;多層交疊不透明體會(huì )互相干擾;有一定厚度,帶倒角、圓角的物體或者圓柱體尺寸測量容易出現邊緣發(fā)虛現象,結果會(huì )有偏差,如果測量精度要求很高,則可靠性不高。
應用技巧:光源面積夠用即可,面積過(guò)大會(huì )影響邊緣效果;光源距離工件遠一些,效果會(huì )在一定程度上改善;使用物方遠心鏡頭,可以提高穩定性;圖像亮度不宜過(guò)曝,通常亮zui部分的灰度值不大于220。
2、平行背光源貫穿透射
結構描述:平行背光源置于待測工件正下方,攝像系統垂直于工件和光源進(jìn)行拍照。
主要應用:產(chǎn)品邊緣形狀導致的不適合使用漫射背光源的精確邊緣檢測、定位和尺寸測量等項目。
優(yōu)點(diǎn):光線(xiàn)平行性好,圖像效果佳,測量精度高,準確穩定。
缺點(diǎn):光源本身結構復雜,成本高、對其他配套硬件要求也比較高(例如需配合遠心鏡頭使用等)、安裝調試要求高。
應用技巧:光源與鏡頭必須調同軸,如果對不準,效果很差,一旦對準,效果極好。調好后穩妥固定,以免使用過(guò)程中由于震動(dòng)或不對稱(chēng)外力長(cháng)期影響而錯位。
漫射光方向比較散亂,被瓶身折射后依然是雜散光,整體上比較均勻,瓶子輪廓與背景對比不明顯。
平行光照射情況下,邊緣區域將光線(xiàn)折射到鏡頭入瞳之外的區域,顯示為黑色,與背景對比很明顯。
使用漫射背光測量,由于側部光線(xiàn)被反射進(jìn)入鏡頭,會(huì )出現上圖所示的“發(fā)虛”現象,過(guò)渡像素較多,無(wú)法滿(mǎn)足高精度測量要求,影響測量的精度。
使用同樣大小的平行背光測量,全部光線(xiàn)方向統一,圖像邊緣很銳利,像素過(guò)度減少。同時(shí)配合遠心鏡頭使用,可以提高成像穩定性和精度,也可進(jìn)一步減少環(huán)境雜散光的干擾。
前光照明方式
1、低角度直射光應用
結構描述:低角度照射,表面平整部位反光無(wú)法進(jìn)入鏡頭,圖像亮度較低;不平整部位反光進(jìn)入鏡頭,圖像亮度較高。
主要應用:表面劃傷檢測,打標字符檢測與識別,表面異物檢測,邊緣尺寸測量,定位,倒角測量,沖壓,澆鑄字符圖案檢測與識別等項目。
優(yōu)點(diǎn):便于安裝、效果穩定。
缺點(diǎn):透明物質(zhì)、表面劃傷邊緣起毛的效果不明顯,有些情況下現場(chǎng)要求光源必須處于一定高度之上,影響效果。
常用光源:條形光、線(xiàn)形光、低角度環(huán)形光等。
低角度光源照射,圖像背景為黑色,即暗場(chǎng)照明,可以顯現物體邊緣倒角等45~60°的坡度信息,表面比較雜亂的碰傷、劃傷、雕刻特征也可以顯示出來(lái)。
2、高角度直射光應用
結構描述:高角度照射,表面平整部位反光比較容易進(jìn)入鏡頭,圖像亮度較高;不平整部位反光雜亂,部分光線(xiàn)進(jìn)入不到鏡頭,圖像亮度較低。
主要應用:表面細微劃傷檢測,打標字符檢測與識別,表面異物檢測,邊緣尺寸測量,定位,沖壓,澆鑄字符圖案監測與識別等項目。
優(yōu)點(diǎn):效果明顯,細節清晰。
缺點(diǎn):均勻性調節有一定難度。
常用光源:高角度環(huán)形光、條形光、面光源、同軸光、點(diǎn)光。
高角度光源照射,圖像背景為白色,即明場(chǎng)照射,可以顯現物體表面平整區域的輪廓特征,表面比較雜亂的劃傷、階梯等特征也可以顯示出來(lái),表面粗糙程度不同或光反射率不同的區域也會(huì )有明顯差異。
折射光應用
結構描述:光源置于待檢物體下方或者一側,直射光線(xiàn)經(jīng)平整表面垂直射入工件并從另一側射出。在平整表面部分,透射光線(xiàn)沿著(zhù)與入射光線(xiàn)一致的方向射出,不平整表面部分的透射光線(xiàn)則遵循折射定律與入射光線(xiàn)的方向出現偏移;此時(shí)鏡頭主軸垂直工件表面,平整部分將在圖像中呈現為亮背景特征,而不平整部分則相反,將在明亮背景上呈現為暗特征。
主要應用:透明物體表面細微劃傷檢測、形狀圖案識別與檢測、物體表面平整度與厚度均勻性檢測等。
優(yōu)點(diǎn):效果明顯,細節清晰,穩定性好。
缺點(diǎn):有些情況下,結構安裝不方便。
常用光源:面光源、點(diǎn)陣光源、帶透明圖層面光源等。
散射光應用
直射光從檢測目標單側照射,光線(xiàn)照射到微觀(guān)粗糙結構時(shí)發(fā)生散射,沒(méi)有散射的區域為暗場(chǎng),在圖像中亮度比較低,發(fā)生散射的區域亮度比較高。
應用技巧:保證透射性能良好的情況下,盡可能選擇波長(cháng)比較短的光源。
主要應用:玻璃、塑料等透明物體細微劃傷檢測、表面激光雕刻字符識別與檢測、透明薄膜邊緣定位測量等項目。
優(yōu)點(diǎn):效果明顯,細節清晰。
難點(diǎn):有些情況下,要求檢測有效距離比較遠,對光源亮度要求比較高。常用光源:線(xiàn)形光、條形光、點(diǎn)光等(大多數情況下需特制光源)。
顏色過(guò)濾與加強
與物體表面自然色相同或相近顏色的光照射到物體上之后,反射率比較高;對比色照射,則反射率較低。利用這一原理,可以實(shí)現加強圖像效果、過(guò)濾背景干擾的目的。
右圖為啤酒瓶蓋子,檢測目標是上面的噴碼,每種蓋子會(huì )有不同的背景色和圖樣,如一幅所示,第二幅和第三幅所使用蓋子為藍色和綠色背景。選擇和背景顏色一致的光源照射,即可獲得圖中的效果,背景被過(guò)濾掉或者大幅削弱,字符檢測和識別不再受干擾。
如何選擇/設計視覺(jué)光源照明方案
1、基本思路
光照射到物體表面之后,會(huì )發(fā)生一系列光學(xué)現象,主要包括鏡面反射、漫反射、表面散射、折射、背散射、透射、背反射、色散等。還有一部分光被物體吸收,各種情況發(fā)生的條件由物體表面的形狀、微觀(guān)結構、顏色、化學(xué)成分等客觀(guān)條件決定。
不同的表面發(fā)生各種光學(xué)現象的差異很大,例如鍍膜良好的鏡子表面,光照射之后幾乎全部被反射,也就是鏡面反射占了主要的成分;光線(xiàn)接近垂直照射到玻璃上之后,幾乎全部穿透,從另一面發(fā)射出去,這種情況下透射占了主要的成分;黑色粗糙表面,基本沒(méi)有光反射或者透射,幾乎全部光會(huì )被吸收掉。
除此之外,光學(xué)效果還取決于光源的發(fā)光方式和照射方式,例如漫射光均勻照射可以消除物體表面不平整造成的差異。而平行光照射則恰好相反,能夠突出物體表面不平整的特征。
因此想得到預期效果,需要選擇合適的光源和恰當的照射方式。
2、選光源的一般過(guò)程
?了解項目需求,明確要檢測或者測量的目標;
?分析目標與背景的區別,找出兩者之間成像差異大的光學(xué)現象;
?根據光源與目標之間的配合關(guān)系,初步確定光源的發(fā)光類(lèi)型及顏色;
?拿實(shí)際光源測試,以確定滿(mǎn)足要求的打光方式;
?根據具體情況,確定適用客戶(hù)的產(chǎn)品。