機(jī)器視覺照明光源技術(shù)要點分析

陳志特

（東莞科視自動化科技有限公司，廣東 東莞 523000）

用機(jī)器來代替人眼對相關(guān)事物進(jìn)行的測量和判斷就是機(jī)器視覺。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以將相關(guān)事物通過相應(yīng)的視覺產(chǎn)品轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的圖像信號，并用圖像處理系統(tǒng)對其進(jìn)行處理，以實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的有效控制。

1 機(jī)器視覺照明光源系統(tǒng)概述

機(jī)器視覺系統(tǒng)對圖片的處理需要依賴圖片處理系統(tǒng)，而圖片處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況可能會受到實際運(yùn)用中各種因素的影響，如視覺對象周圍光線的變化以及對象的材質(zhì)和位置等。機(jī)器視覺系統(tǒng)能否高效運(yùn)行的重要依據(jù)是否為其配備良好的光源和照明方案。而優(yōu)秀的照明光源方案不僅能夠?qū)ξ锲返闹鳒y量面進(jìn)行有效的突出，還能在物體的重要和不重要部分之間進(jìn)行一個對比強(qiáng)烈的區(qū)分。

在20 世紀(jì)90年代以后，一些研究圖像處理的公司相繼出現(xiàn)，圖像處理方面的產(chǎn)品也逐漸面世，但產(chǎn)品還存在著很多方面的問題，很多企業(yè)在這些設(shè)備的應(yīng)用上也沒有相應(yīng)的概念。不同的光源設(shè)備有其自身的特點和優(yōu)勢，也有其適應(yīng)的相關(guān)領(lǐng)域。在這些種類多樣的照明光源當(dāng)中，LED 光源因其使用壽命長和高穩(wěn)定性得到了普遍的認(rèn)可，在照明光源領(lǐng)域的地位越來越重要。

2 機(jī)器視覺照明光源及LED 光源

照明光源對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)有著重要的影響。照明光源的類型主要包括以下幾種類型：白熾光源、熒光光源、LED 光源、閃光光源、X 射線光源。目前，LED 光源最為常用，而且已在機(jī)器視覺光源領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，已成為機(jī)器視覺的首選光源。

LED 光源是新的光源類型，以其特有的特點能夠取代很多類型的傳統(tǒng)光源。LED 光源有著不同的顏色和多樣化的形狀、材質(zhì)、亮度。LED 光源的特點和優(yōu)勢主要包括：（1）LED 光源可以高頻率操作，響應(yīng)速度快，且耗電量非常低，僅是白熾光源的萬分之一。（2）LED 光源可以使用低壓電源，相比使用高壓電源的光源就安全多了。（3）LED 光源在散熱設(shè)計良好的情況下可以使用10萬小時，有著很長的使用壽命。（4）LED 光源的單元體積很小，使用得LED 光源結(jié)構(gòu)設(shè)計更加靈活。（5）LED 光源能夠?qū)饩€進(jìn)行高效的管控，有著較強(qiáng)的方向性，大大提高了其照明效果。（6）LED 光源是綠色光源，可回收，無污染，且其顏色能夠多變。

LED 光源以其特有的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)各領(lǐng)域中。在機(jī)器視覺領(lǐng)域中的應(yīng)用種類非常的多，主要有均勻背光源、條形光源、環(huán)形光源、同軸光源、高亮線型光源等等。

3 機(jī)器視覺照明技術(shù)

機(jī)器視覺照明的主要目標(biāo)是選擇合適的光源以某種方式將光線投射到被測物體上，突出被測特征部分與背景的對比度。好的照明能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，簡化軟件的運(yùn)算，提高系統(tǒng)精度與穩(wěn)定性；不適合的照明，則會引起很多問題，比如花點、眩光、曝光過度會隱藏許多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；而信噪比過低、均勻性不夠?qū)е聢D像閾值選擇困難，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等等。

怎樣才能選擇到一個最佳的照明方案呢？ 需要考慮很多因素，比如光源的類型、光源的顏色、光的強(qiáng)度等，還有工作距離、物體大小、發(fā)光器件、源控制方式等都需要考慮。

從以往的經(jīng)驗中來看，對于每種不同的檢測樣品，通常需要采用不同的照明方式才能得到理想的特征，甚至有時需要采用組合光源的方式才能得到理想的特征，因此除了必須的理論知識外，平時的經(jīng)驗積累也是相當(dāng)?shù)闹匾摹?/p>

機(jī)器視覺照明技術(shù)主要分為以下幾類：

（1）前向照明技術(shù)。前向照明技術(shù)是將照明光源系統(tǒng)放置在相機(jī)和被測量物體的前面，以對物體的表面情況和相應(yīng)細(xì)節(jié)做一個清晰的探照，看是否存在缺陷、劃痕等問題。前向照明光源主要有條形光源，環(huán)形光源、點光源、線型光源、四面可調(diào)光源等。通常用于平面和有表面紋理的表面檢查，根據(jù)使用的安裝位置，可分為高角度照明和低角度照明。

（2）背向照明技術(shù)。將照明光源放在被測量物體的后面，而將相機(jī)放在被測量物體的前面，這種照明光源技術(shù)就是背向照明。背向照明光源主要有均勻背光源、平行背光源和同軸光源。這種背面照射技術(shù)，用來形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部。這是一種與其他方式不同的照明方式，其是以光源高亮作為背景，而以目標(biāo)黑暗為特征的照明方式。優(yōu)點是邊緣特別突出；缺點是觀察不到表面細(xì)節(jié)。

（3）結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)。結(jié)構(gòu)光照明技術(shù)是將光線以一定結(jié)構(gòu)投影到被照物體上以實現(xiàn)所需要照明的一種技術(shù)。主要應(yīng)用于大面積需要均勻照明的物體。結(jié)構(gòu)光照明光源主要有圓頂光源、四面無影光源等。優(yōu)點是可以得到較均勻的照明方式；缺點是無論是單個或多個光源，其體積都比較大。

近十年來，在機(jī)器視覺行業(yè)中已經(jīng)形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)光源，比如條形光源、環(huán)形光源、同軸光源等等。在機(jī)器視覺光源的設(shè)計中，重點需要考慮均勻性設(shè)計、強(qiáng)度設(shè)計、散熱設(shè)計，電壓電流設(shè)計。其中散熱設(shè)計和電壓電流設(shè)計是影響視覺光源產(chǎn)品質(zhì)量的核心要素。

4 結(jié)語

作為一項形成近十年的新型的技術(shù)，照明光源技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，其應(yīng)用前景仍然非常廣闊。在不斷的發(fā)展和應(yīng)用過程中，照明光源技術(shù)的關(guān)鍵作用已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來，對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展乃至應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)的各個領(lǐng)域都產(chǎn)生了重要的影響，照明光源技術(shù)在未來的發(fā)展中一定能得到更加多元的應(yīng)用。

[1]張巧芬，高健.機(jī)器視覺中照明技術(shù)的研究進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報，2011（2）：31-36