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机器视觉光源的选择
发表时间:2018-11-22

一、为什么要使用光源

使用光源的目的是使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离,获得高品质、高对比度的图像,同时提高系统的定位、测量精度,使系统的可靠性和综合性能得到提高。

二、 光源的种类 

理想的光源应该是明亮、均匀、稳定的,视觉系统使用的光源主要有三种:

高频荧光灯:使用寿命约1500-3000小时;扩散性好、适合大面积均匀照射,但是响应速度慢,亮度较暗。

光纤卤素灯:使用寿命约1000小时;亮度高,但响应速度慢,几乎没有光亮度和色温的变化。

LED灯:使用寿命约10000-30000小时;可以使用多个LED达到高亮度,同时可组合不同的形状;响应速度快,波长可以根据用途选择。LED光源的主要颜色有红色、蓝色、绿色、白色,其次还有橙色、红外、紫外。

三、 照明技术的基础知识

1、照射光的种类

(1)直射光:主要来自同一方向的光,可以在亮色和暗色阴影之间产生相对高的对比度图像。

(2)漫射光(扩散光):各种角度的光源混合在一起的光。日常生活用的几乎都是扩散光。

(3)偏振光:在垂直于传播方向的平面内,光矢量只沿某一个固定方向振动的光。 

(4)平行光:照射角度一致的光。太阳光就是平行光。发光角度越窄的LED直射光越接近平行光。

2、六种照明技术

(1)通用照明:一般采用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式,其很容易安装在镜头上,可给漫反射表面提供足够的照明。

(2)背光照明:是将光源放置在被测物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同是图像分析的不是出射光而是入射光。背光照明产生了很强的对比度,应用背光照明时物体表面特征可能会丢失。

(3)同轴照明:是与镜头的轴向有相同方向的光照射到物体的表面。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。

(4)暗域照明:是相对于物体表面提供低角度照明。光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的暗域照明应用于对表面有突起部分的照明或表面纹理变化的照明。

(5)结构光:是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光(如线形、圆形、正方形)。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。

3、选择光源应考虑的系统特性

(1)亮度:选择光源时,最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时,可能有三种不良现象发生:①图像对比度不够,在图像上出现噪声的可能性也随之增大;②光源的亮度不够,必然要加大光圈,从而减小了景深;③自然光等随机光对系统的影响会最大。

(2)鲁棒性:测试光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时,图像应该不会随之变化。

(3)光源可预测:当光源入射到物体表面的时候,光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射,被反射的光入射角等于反射角。

(4)控制反射:如果反射光可以控制,图像就可以控制了。因此在涉及机器视觉光源的设计时,最重要的原则就是控制好光源反射到透镜及反射的程度。

(5)光源的位置:光源按照入射角反射,因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。

(6)表面纹理:物体表面可能高度反射(镜面反射)或者高度漫反射。决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。 

(7)表面形状:一个球形表面反射光源的方式与平面物体不近相同。物体表面的形状越复杂,其表面的光源变化也随之越复杂。

(8)光源均匀性:均匀的光源会补偿物体表面的角度变化,即使物体表面的几何形状不同,光源在各部分的反射也是均匀的。

(9)光源技术的应用:光源技术是设计光源的形状及位置以使图像对比度高。光源会使那些感兴趣的并需要机器视觉分析的区域更加突出。

四、如何选择光源

1、背光——测量系统的最佳选择

2、亮场——最直接的照明

3、暗场——适合光滑表面的照明

4、结构光法——最简便的三维测量

5、彩色的考虑——三原色(光的三原色:红、绿、蓝;色彩三原色:青、紫、黄)


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