机器视觉系统构成 —— 光源

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机器视觉系统构成——光源

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图像与视觉

图像安防监控、显微成像、医疗影像、天文观测；航天测绘、智能交通

视觉（视 + 觉）表面质量检测、工件尺寸测量和定位、各种标识的识别等，电子、半导体、包装、印刷…


机器视觉（ Machine Vision)

机器（Machine)

视觉（ Vision)+

机械运动控制觉 (软件 )视 (硬件 )

包括光源、镜头、相机、图像采集卡等。机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制

技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结合。凌云公司的口号：“致力于为机器植入眼睛和大脑！”


为什么要采用机器视觉

节省时间

降低生产成本

优化物流过程

缩短机器停工期

提高生产率和产品质量

减轻测试及检测人员劳动强度

减少不合格产品的数量

提高机器利用率


光源（光源是基准，打光是艺术）

种类： LED 、萤光灯、卤素灯（光纤光源 ) 、特殊光源 Garbage In, Garbage Out

特点： LED 寿命长 / 可以有各种颜色 / 便于做成各种复杂形状 / 光均匀稳定 /可以闪光；萤光灯光场均匀 / 价格便宜 / 亮度较 LED 高；卤素灯亮度特别高 / 通过光纤传输后可做成


有效的合作与沟通

客户：“提高质量我们才能占领越来越多的市场”

销售：“我们需要零缺陷发货”

管理者：“制订消除（降低）缺陷的计划，如采用视觉系统”

品保：“为达到 6Sigma 目标，我们有 100 多个缺陷要解决”

MV 供应商：“将每种缺陷详细定义并归类”

光源供应商：“我们应该按照这样的方法来做！”

MV 供应商：“这样做的花费是这么多！”

品保：“也许只检 10 个缺陷就足够了”

管理者：“如何才能避免我们将这类有缺陷的货发出去？”

销售：“多坏才是足够好呢？”


光源为什么重要

好的打光方式等于成功了一大半 (Garbage in ， Garbage out)

光源调制目标信息后传递探测器给（将目标想成我们自己）

探测器所获得的光线必须包含足够的信息以便分离感兴趣的主要特征信息，并便于处理器将它们区分开来 ( 光源是基准，打光有技巧）

我们的目标就是最大化感兴趣区域的特征同时抑制其他的特征（噪声）


光是什么

1 、场

2 、波

3 、粒子

4 、光线


光子的属性

光由离散的光子组成

粒子属性

波动属性

单个光子 --- 离散的能量包

波长（ λ=c/ν ， E=hν; E=mc2 ）偏振

光波（ E- 电场分量； B- 磁场分量 ; 电场方向决定偏振；光传播不需要介质）

光子的集合（光谱能量分布；强度；空间分布（平行 / 相干）；干涉；）


光谱

UV-A 主要用于激发萤光的应用，表现表面的细微特征

IR 主要用于一些特殊的探测器（红外热像仪 --- 自辐射目标

NIR 的应用越来越多（水果，太阳能电池等）

MV 一般集中于可见光和近红外


光的偏振

通常光子的偏振是任意的、独立的

利用偏振可消除反光

在光的传播中利用偏振可测量透明物体的应力


偏光片


光的色散

折射率随光波波长变化而变化称为色散

这也是为什么普通镜头不能把所有波长的光都聚焦在一个点的原因

一般工业镜头都会对色散及其他畸变有所补偿


颜色

彩色检测强调光源光谱与相机响应的匹配

不同的颜色空间（棉花检测）

光源颜色与目标颜色的匹配

用滤光片调整光源的输出

相机的白平衡可补偿自身不同通道间的差异，同时也能对光源进行一定的补偿


颜色

紅

緑藍


RedMCEP-CR8

GreenMCEP-CG8

BlueMCEP-CB8

Designed Color

+ +


光源及其分类

光源的种类及一般技术碘钨灯

萤光灯

金卤灯

氙灯

激光

LED

滤光片与照明系统

量化分析

工作环境

照明方案提供的过程


不同光源的光谱

不同种类的光源输出的光谱特性差别

不同光源色温不一样

不同光源的寿命相差也较大

不同光源的发光效率相差大

不同光源的一致性相差大



LED 的光谱及发光效率

不同颜色 LED 光谱分布曲线不一样

发光效率不一样

寿命不一样

白光普遍偏蓝


滤光

滤光片改变白光的输出属性（强度、光谱、成份等）

吸收滤光器吸收部分光谱的光

干涉滤光器使特定光谱的光通过而将其余的反射

干涉滤光片较常用，效率高

各种颜色的光谱滤光片

日光滤光片，中性滤光片


光的测量

辐射计测量所有波长电磁波的能量

不管我们人眼能否看到

照度计只测量可见光谱内电磁波的能量

考虑了人眼对光谱的适应曲线

考虑了辐射的“可见效率”

大多数情况下建议使用辐射计


选择光源种类

定义能获取必要对比度的打光方式（结构）

决定要需光源的光谱属性

选择能满足以上要求的灯泡（光源种类）

在保持结构与光谱不变的情况下考虑亮度及其他相关指标

充分考虑寿命并取得平衡


光源的使用及举例

打光的半球模型

光与被照物的交互

前景光（正面）模式垂直打光

角度打光

漫射

间接照明

亮场 /暗场

穹顶 /Cloudy Day

背景光（背面）模式亮场 /暗场

漫射 / 同轴

表面缺陷应用案例


照明的半球结构模型

照明半球模型描述了前景光照明范围内的所有可能。

发光点定义了光的结构

在反方向还有一个半球描述了背景光的范围


光源与被照物的交互

光打到被照物上后会发生什么？我们如何定义半球的不同区域

亮场与暗场主要描述相机与光源的位置关系

亮场指相机直接接收光源在目标上的反射光，一般相机与光源异侧分布

暗场指相机间接接收光源在目标上的散射光，一般相机与光源同侧分布


光源与被照物的交互反射、吸收、透射（折射）理想模型与实际目标差异，大多数情况下往往是三者的综合，发散导致的散射一般是很难避免的

I=R+T+A

缺陷往往表现为吸收更多的光或反射更多的光


如何获取高对比度

对于黑白图像光的结构是至关重要的

目标将入射光分成 R 、 A 、 T

制造亮暗区域之间的对比度

制造几何阴影

避开高亮反射区（暗场）

使反射区饱和

观察不同的表面反射（光尺）

改变亮度或光照结构会改变对比度

一种照明模式并不对所有的缺陷都起作用


前景 /背景光 --- 亮场 /暗场很多视觉系统相机一般在正上方亮场 /暗场模式定义如下图

前景光一般为照明结构半球上的点、部分、或整个半球所发出的光


前景光 ---顶部漫射 /角度属于亮场模式，较难形成高对比高角度点光源

可在突出物周围形成阴影

在突出物表面形成高亮

在凹下区的边缘形成阴影或高亮


前景光 --- 低角度

光线在表面平坦处反射后不能进入相机

光线在突出或下沉的区域反射后进入相机


背景照明 ---漫射 / 平行

漫射背光由于视差效应在测量带曲面的工件时易形成测量误差，使得测量尺寸比实际尺寸小

平行背光则不会产生这种误差


前景光 --- 同轴照明

通过半透半反镜后形成垂直照射，光线看似发自于相机

同轴光适于具有高反及代反交替出现的平坦表面

在如 PCB 、 Die bonding 、 leadframe 应用中可形成很高的对比度

同轴照明易受杂散光干扰


前景光 --Dome/Cloudy day

来自各个方向的光形成均匀照明，消除阴影和局部亮点

适用于具有不规则部件的高反表面

顶部开口对高反表面成像形成影响

在顶部加上同轴光解决问题（ cloudy day）


钢板表面检测案例表面检测打光目标增强所需特征的对比度

提高信噪比

扩大信号差

抑制不需要特征

降低光照，使用混和打光

Ambient

在系统的生命周期内维持稳定

结构上（空间）

强度上（时间）


钢板表面缺陷定义


钢板线阵相机的明场 /暗场亮场打光时几何缺陷由于光线的折返而变暗

亮场打光时灰度缺陷由于本身吸收光线而变暗

暗场打光时几何缺陷由于折返而变亮

暗场打光时灰度缺陷较难表现


钢板表面缺陷实验设计

对每种缺陷在所有亮场范围内实验

对每种缺陷在所有暗场范围内实验

对所获取的图像的背景与缺陷进行灰度分析（ line profile)

S/N简单表示为信号最小值减去噪声最大值。 S/N=Smin-Nmax


钢板表面缺陷—铁锈

亮场打光实验

接近法线时对比度减小

接近水平线时噪声增大

在 -35 度到 -25 度之间对比度较好


钢板表面缺陷—条形划伤

暗场打光实验

在暗场的一个小角度范围内以获得较好的对比度

对光源的亮度要求高


钢板表面缺陷定义

通过实验将缺陷分为三组

每组都需要独立打光

打光模式不是彼此独立的，他们相互影响

尝试多种模式的混和打光会降低缺陷的检测能力

亮场缺陷背景噪声高

暗场缺陷一般需要 5-10倍于亮场的光强


光源使用工作环境

温度、振动、湿度、电力线的波动、电磁干扰、稳定性

灰尘和碎片、溅水、水汽、腐蚀等


照明规则

1 、光线太暗会影响视觉系统

2 、光线太亮会影响视觉系统

3 、照明的主要功能是产生光学信号

4 、减少噪声是照明要解决的主要问题之一

5 、只有来自于目标并到达镜头的光线才是有效的光线

6 、进入镜头但非来自目标的光线为杂散光，它降低图像质量

7 、来自目标任意点的光线都应填满镜头的入瞳



信噪比

Signal = contrast = |Ifeature – Ibackground|

22backgroundfeature IINoise

Signal:Noise



光学器件

镜头 ----聚焦或分散光线

反射器（镜面） ---改变光路（角度）

分光器 --- 半透半反

棱镜 --- 分光

偏光片 --- 抑制反光，应力探测

漫射片 ---柔化光的分布，提高均匀性

滤光片 --- 过滤修正光源的光谱属性

光纤 ---固定的光传播系统


光源选择的注意事项

影响因素：相机的光谱响应特性、形状、打光方式（ dark field, bright field, low angle, structure light) 、 LED 器件（颜色、发光角、亮度、寿命等）、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射片等）即结构、光谱、强度、寿命、修正手段、价格等）

选择原则：满足应用、综合考虑；理论分析 + 实验；


解决问题的一般过程提出问题

定义检测目标

收集制订完整的规格列表

可行性研究这个零件是如何被肉眼看到的？

这个零件将如何照在其上的光的特性？

将自己想成是那个零件

概念设计

实验室的反复实验

原型机生产

批量生产，先进制造


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