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机器视觉——光源选型原理及使用方法

最近在一家小公司实习了一段时间,发现机器视觉、计算机视觉和实际工作有很大的不同。公司使用海康威视MVS和VisionMaster 如果有需要,软件设计方案也可以使用Halcon。 在实验室里,当你遇到问题时,你总是考虑如何分离这个特征或直接深入学习网络来解决问题。当数据集稀缺或背景复杂时,很难处理。然而,在公司的技术人员眼中,我似乎很难解决的问题可以通过简单的算法通过合理的照明来完美地解决。 在实际的工业应用中,光源和机械手也识别和定位缺陷或目标对象。合理的光源和照明方法可以解决80%的问题。

光源篇

  • 1.光源的重要性
  • 2.光源需求分析
  • 3.使用光源颜色
    • 3.1 白色光源(W)
    • 3.2 蓝色光源(B)
    • 3.3 红色光源(R)
    • 3.4 绿色光源(G)
    • 3.5 红外光(IR)
    • 3.6 紫外光(UV)
  • 4.光源的照射方式
    • 4.1 角度照射
    • 4.2 垂直照射
    • 4.3 低角度照射
    • 4.4 背光照射
    • 4.5 多角度照射
    • 4.6 碗状光照明
    • 4.7 同轴光照射
  • 5.光源选择要领
    • 5.1 条光选型要领
    • 5.2 环光选型要领
    • 5.3 条形组合光选型要领
    • 5.4 背光源/平行背光源造型要领
    • 5.5 同轴光造型要领
    • 5.6 平行同轴光选型要领
  • 6.案例分析
    • 6.1 检测瓶盖条码

1.光源的重要性

在这里插入图片描述 从上图可以看出,不同的光源产生了完全不同的成像效果,这也导致了不同的检测算法(首选和简化) 。 选择合适的光源可以突出良好的图像效果(特征点),简化算法,提高检测精度,保证检测系统的稳定性。

2.光源需求分析

:检测(识别)、测量、定位、条形码、字符识别、三维扫描等。 :如检测内容、检测速度、检测精度等。 :如相机、镜头、软件、安装方法等。

3.使用光源颜色

常用的光源颜色有:白、蓝、红、绿、红、紫外。

3.1 白色光源(W)

白光源通常用色温来定义,高色温的颜色是蓝色(冷色,色温>5000K),低色温的颜色是红色(暖色,色温<3300K),界于3300与5000K白色光源适用性广,亮度高,尤其是拍摄彩色图像时。

3.2 蓝色光源(B)

蓝光源波光在430-480之间,适用于银背景产品(如钣金、汽车加工件等),薄膜上的金属印刷品。

3.3 红色光源(R)

红光源的波长通常在600-720之间,波长相对较长,可以通过黑色透明软板孔位置定位、绿色电路板电路线路检测、透明膜厚度检测等深色物体,使用红光源可以提高对比度。

3.4 绿色光源(G)

绿色光源波长510-530,主要用于红色和蓝色之间的产品:红色背景产品、银色背景产品(如钣金、汽车加工件等)。

3.5 红外光(IR)

红外光的波长一般为780-1400,红外光属于不可见光,其穿透力强。LCD屏幕检测和视频监控行业应用广泛。 白光: 红光:

3.6 紫外光(UV)

紫外线波长一般为190-400,波长短,穿透力强,主要用于证件检测和触摸屏ITO金属表面划痕检测、布料表面损伤、点胶溢胶检测等。.

4.光源的照射方式

光源是影响机器视觉图像质量的重要因素,照明至少影响输入数据 30 % 。良好的照明方法可以准确捕捉物体的特征,提高物体与背景的对比度。

4.1 角度照射

应用: :在一定工作距离下,光束集中、亮度高、均匀性好、照射面积相对较小。常用于液晶校正、塑胶容器检查、工件螺孔定位、标签检查、管脚检查、集成电路印字检查等(30、45、60、75等角度环光*)。

4.2 垂直照射

应用: :照明面积大,光均匀性好,适用于大面积照明。可用于基底和电路板定位、晶片部件检查等。(0角度环光和表面光源*)。

4.3 低角度照射

应用: :表面凹凸表现力强。适用于晶片或玻璃基板上的疤痕检查(90度环光*)。

4.4 背光照射

应用: :发光面是一个漫射面,均匀性好。可用于镜面反射材料,如晶片或玻璃基底上的伤痕检测;LCD检测;微小电子元件尺寸、形状,靶标测试。(背光源、平行背光源)

4.5 多角度照射

应用: :RGB三种不同颜色不同角度光照,可以实现焊点的三维信息的提取。适用于组装机板的焊锡部份、球形或半圆形物体、其它奇怪形状物体、接脚头(AOI光源)。

4.6 碗状光照明

应用: :360度底部发光,通过碗状内壁发射,形成球形均匀光照。用于检测曲面的金属表面文字和缺陷。(球积分光源,通常也叫圆顶光)

4.7 同轴光照射

应用: :类似于平行光的应用,光源前面带漫反射板,形成二次光源,光线主要趋于平行。用于半导体、PCB板、以及金属零件的表面成像检测,微小元件的外形、尺寸测量。(同轴光源,平行同轴光源)

5.光源选择要领

5.1 条光选型要领

1、条光照射宽度最好大于检测的距离,否则可能会照射距离远造成亮度差,或者是距离近而幅射面积不够; 2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可,无须太长造成安装不便,同时也增加成本,一般情况下,光源的安装高度会影响到所选用条光的长度,高度越高,光源长度要求越长,否则图像两侧亮度传经比中间暗; 3、如果照明目标是高反光物体,最好加上漫射板,如果是黑色等暗色不反光产品,也可以拆掉漫射板以提高亮度;

5.2 环光选型要领

1、了解光源安装距离,过滤掉某些角度光源;例如要求光源安装尺寸高,就可以过滤掉大角度光源,选择用小角度光源,同样,安装高度越高,要求光源的直径越大; 2、目标面积小,且主要特性在表面中间,可选择小尺寸0角度或小角度光源; 3、目标需要表现的特征如果在边缘,可选择90度角环光,或大尺寸高角度环形光; 4、检测表面划伤,可选择90度角环光,尽量选择波长短的光源;

5.3 条形组合光选型要领

1、条形组合光在选择时,不一定要按照资料上的型号来选型,因为被测的目标形状、大小各不一样,所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合; 2、组合光在选择时,一定要考虑光源的安装高度,再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合;

5.4 背光源/平行背光源造型要领

1、选择背光源时,根据物体的大小选择合适大小的背光源,以免增加成本造成浪费; 2、背光源四周一条由于的外壳遮挡,因此其亮度会低于中间部位,因此,选择背光源时,尽量不要使目标正好位于背光源边缘; 3、背光源一般在检测轮廓时,可以尽量使用波长短的光源,波长短的光源其衍射性弱,图像边缘不容易产生重影,对比度更高; 4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果,并非离得越近效果越好,也非越远越好; 6、检测液位可以将背光源侧立使用; 7、圆轴类的产品,螺旋状的产品尽量使用平行背光源;

5.5 同轴光造型要领

1、选择同轴光时主要看其发光面积,根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光; 2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变,光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀; 3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高,越高,要求选用的同轴光越大,才能保证才均匀性;

5.6 平行同轴光选型要领

1、平行同轴光光路设计独特,主要适用于检测各种划痕; 2、平行同轴光与同轴光表现的牲点不一样,不能替代同轴光使用; 3、平行同轴光检测划伤之类的产品,尽量不要选择波长长的光源;

6.案例分析

6.1 酒瓶盖条码检测

检测的内容主要有条码识别、条码打标位置是否偏离;使用光源:204mm、60度蓝光。 单个瓶盖: 要求装在包装箱里检测: : 1、了解产品特性: 瓶盖上面是黑色,另有红黑交错背景图案,条码为激光刻印显灰色,为了显现出条码,应该将字符打亮,背景与字符分辨明显;我们如果选用红色光源的话,背景中的红色会滤掉打白,会干扰同为白色的字符,所以,我们应该利用光源的互补原理,采用蓝色光源,将红色背景尽量打黑; 白色光源效果: 蓝色光源效果: 2、了解产品形状选择合适光源 瓶盖为圆形,直径为25MM,一般此情况可以选择同轴光或者环形光比较合适; 3、了解产品材质特性选择合适光源 瓶盖为金属材料,表面有印刷图案,比较光滑,反光度很强,选用同轴光或带角度的环形光比较合适; 4、模拟现场打光选择能用的光源 由于酒瓶必须装在包装纸箱里,瓶盖离纸箱上顶部的距离有80MM,考虑需要留一定的空间,因此,瓶盖离光源需要的距离为100MM或以上,如此高的距离,小同轴光跟小环光以及低角度光就不能满足要求,必须选用大同轴光跟大环光 5、打光试验 根据以上情况选择大致的光源后,再进行性价比对比,选择性价比高的光源进行实际打光测试(同轴光如果提到110MM距离的话,需要用到120左右的光,单位价值比较高,所以选择环形光比较经济) 6、最终确定光源 根据打光效果图进行软件处理,在得到可靠性及准确性 的条件下选择正确的光源。 以上述案例可以看出: 1、产品的颜色影响光源的颜色; 2、产品的特性可以确定光源的照射方式,从而确定光源的类型; 3、产品的安装空间及相机、镜头、传感器的位置等障碍可以摒弃一些不方便安装的光源; 4、光源的安装高度影响光源的类型及大小;

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