机器视觉照明技术与装置实验研究（论文纪要）

参考文献

机器视觉照明技术与装置实验研究 中原 硕士 2016   有用

摘要

图片质量很大程度上是由目标周围的照明环境和目标物体表面材质、物体摆放位置所决定的。

1、首先，对照明系统主要技术进行了研究。研究内容包括光源的参数与选择，光源的位置布局，LED 光源形状的选用，光源强度、均匀性、光谱特性对图像的影响，光学辅助器件的运用。
2、其次，建立了光源照射模型。通过对 LED 灯珠、LED 光源整体的光通量、被测面照度的计算，确定了被测目标的图像分析、设计需求和照明原则，同时通过 Tracepro 软件模拟设计，对相同光源照明的光强叠加及其均匀性进行了分析，得出光源合理布局能够增加光强及其照明均匀性的结论，对机器视觉照明系统设计研究提供了参考。
3、再次，对机器视觉在线检测系统照明实验装置总体方案进行了设计，选择合适的图像硬件结构，进行软件设计，实现实验系统的各项功能，保证系统的良好运行。
4、最后，对光源布局方式及光源特性对图像的影响进行了大量试验，经实验验证，本文设计的测试系统可实现准确、连续、实时的采集图像，能够提供全方位、多角度的光源布局，能够对生产线检测环境进行模拟。

一、绪论

1、照明系统设计的主要目的是以最合适的方式将光线照射到检测目标表面，突出被测目标需要检测的特征信息，可以说照明系统是整个机器视觉系统的关键部分。
一个优秀的照明系统能够使被测目标的采集图像目标信息与背景信息分离，从而简化后续分析，关系到整个系统能否正常运行。错误的照明会引起很多后期处理的问题，例如光强过高会使许多重要信息丢失，阴影会使轮廓尺寸的检测产生误差。

2、目前国内机器视觉光源制造商以上海纬朗、深圳 OPT、上海铂美等为代表。
相对于国内而言，国外机器视觉照明技术较为成熟，如日本 CCS 公司，其生产的 LED 光源主要应用于表面探测、位置确定、产品整合等多种领域。美国 AI 公司，通过其在照明系统方面取得的优势来增强机器视觉系统的性能。日本光源小巧精致质量优良，美国光源结实耐用寿命长，他们各有所长。总的来说机器视觉光源不论在国内还是国外都处在一个迅猛发展的阶段。

3、目前，国内从事机器视觉公司已超过 100 家，机器视觉系统集成制造商也超过70 家，涌现出了不少知名机器视觉公司，如北京大恒图像、北京凌云光子、深圳视觉龙、深圳 OPT 公司、上海纬朗光电、上海东冠、东莞康视达、东莞凯瑞斯等。

4、综合研究光源特性、照明抗干扰特性、光源配置与光路设计、采集图像质量评判技术，最终建立与优化连续生产线视觉检测照明模型并进行照明装置设计还是一个全新的课题。

5、视觉检测技术的实质为非成像光学系统作用下光学成像系统对产品图像的连续采集与计算机识别过程。

6、在视觉检测系统中，影响图像质量的因素很多，主要包括光强度、光方向、物距、焦距、采样率、曝光时间和放大倍数、暗漏电流、分辨率(像素数)等。这些因素主要来自两个方面：非成像光学系统(光源与照明)、光学成像系统(镜头、相机)，其中非成像光学系统是影响采集图像质量的第一步直接因素。

二、机器视觉照明系统主要技术进行研究

包括光源主要性能参数、常用光源种类优缺点及选择、光源布局方式、驱动的选择、分析软件选用、常用光学配件等。

1、光源主要性能参数

1、必须对常见的光量特性非常了解，它主要包括：光通量、发光强度、光亮度、光束角、频闪效应、发光效率、光源寿命等等。

光通量是一个衡量光源输出可见光量的指标，指光源每秒发出光的总和，单位是流明(Lm).
光照度是衡量受光表面被照亮程度的物理量，指受光表面单位面积的光通量，单位是勒克斯(lm/m2)。
发光强度是衡量光源发光强度的物理量，即光通量的空间密度，单位是坎德拉(cd)。
光束角是指光源经反射罩反射后发出的光斑的最大范围。
频闪效应是指光源随着电压电流的周期性的变化而变化，人眼长期处于这样的光环境中会使视力受损，并且在机器视觉中频闪光会影响图像质量。
发光效率是指光通量与耗电量的比值。
光源寿命是指光源的平均使用寿命。

2、光源的光色特性包括三基色，色温，显色性等。

三基色为红、绿、蓝三种颜色，光谱中其他的光色可由这三种色光按照一定比例混合而成。
色温是用温度表示光源光色的一种指标，将一个标准黑体加热，当光源颜色与黑体颜色相同时此时黑体的温度就是该光源的色温，色温的不同会导致光色不同，也会使光环境的气氛不同，如 3000k 以下光色偏红色使人感觉温暖，6000 k以上偏蓝色，使人感觉清冷。
显色性是将光源照射在物体上对物体颜色真实性的呈现，把太阳的显色指数定为 Ra=100，
越能正确表现物体的本色显色指数越接近 100，在机器视觉的应用中，显色性对检测对象真实颜色的体现是一个很重要的指标。

下表对主要光源的基本技术性能指标进行了对比：

2、常用光源的种类及优缺点

常见的照明光源如图，常见的照明光源主要包括以下几种:白炽灯、荧光灯、LED 灯、频闪光源、射线光源等。
机器视觉照明系统中常用光源主要有三种：LED 光源、高频荧光灯、光纤卤素灯。

3、机器视觉照明光源的选择

1、光源的选择依据

为了使采集的图像达到最佳效果，需要根据目标的颜色、材质、形状考虑所需光源强度、光路、光谱等综合性能，突出所需目标特征信息。
在光源的选择与设计时，首先注意两条原则：
第一，优先选择主动照明方式，尽量屏蔽自然光干扰，使用人工光源照射被测对象；
第二，优先选择 LED 光源或者高频荧光灯。
从照射对象的特性考虑，选择光源时需要考虑的五个要素：
(1)表面平整度；
(2)表面反光程度；
(3)目标形状；
(4)目标的颜色；
(5)目标是移动还是静止。
照明系统的合理配置取决于待检目标的大小、表面特性、几何特性、色彩以及系统需求，针对具体应用的不同要求要选择不同的机器视觉照明系统。

2 、光源的位置布局选择

通过了解系统结构及运行的要求，相机、光源、被测物的空间结构关系。可以确定以下参数：
1)需要照明的范围多大；
2)光源与物体之间的距离；
3)物体的形状、颜色和运动性。
在确定这些参数的基础上确定光源的布局与形状，照明系统的布局形式由光源照射方式可分为：
明/暗场照明、前向照明、侧向照明、背向照明、结构光照明、漫射照明和频闪照明等。
- (1)明/暗场照明 对物体表面提供低角度照明时，红色光源反射光线进入相机为明场照明，它对形成高对比度有益；反之，蓝色光源光线反射后未进入摄像机为暗场照明，漫射光被反射进入照相机，但镜面反射光线被反射离开，除有纹理的和凹凸变化的表面之外的光线被反射而不进入照相机，可应用于对表面部分有突起部分或表面纹理变化的照明。
- (2)前向照明 光源照射到目标上反射出的光线进入镜头，能够增强采集图像中被测物不同部分的灰度差别，有利于分辨被测物表面细节特征。该照明方式需要考虑目标特征与背景图像的区别度，且特别注意反射投影问题。为了解决投影问题，
  可以采用三种方法：使用环形光源实现脱影拍摄；使用圆顶光源(半球形光源)均匀照明，减弱投影的影响；采用两盏或组合光源对称布光减弱投影。
- (3)背向照明 光源发出的光直接进入摄像机，能产生强烈的对比度，能够得到被测物比较清晰的整体轮廓，但是不能明显捕捉到物体的表面特征。背向照明需要考虑被测物体的透明度，主要针对透明/半透明物体疵点检测、物体尺寸以及目标尺寸的检测。
- (4)同轴光照明 水平光线经分光镜后沿着相机同轴方向照射目标，主要运用于高反射目标检测，能够屏蔽外界环境光照射对目标的影响。
- (5)漫射照明 光源发出的光经过半球形的连续漫反射，照亮目标。主要应用于检测物体表面的反射性较强及表面角度较为复杂的目标，以减小影子及镜面反射，对电路板的照明非常有用。
- (6)频闪光照明 是将高频的光照射到物体上，需要光源频闪速度与摄像机扫描速度相同步，主要用于连续生产线上目标抽样检测。

3、 LED 光源形状选择

LED光源按照其形状主要分为：背光源、条形光源、环形光源、同轴光源、对位光源。
背光源是一种面板性光源，将优化设计的LED阵列均匀分布在光源底部，发出的光经过特殊导光板形成均匀的背光，为照明提供高强度背光，从而突出物体特征，通常用于外部轮廓检测。
条形光源是由高亮度直插式LED阵列组成。高均匀条形光源是由高密度贴片式LED阵列组成，因其高均匀的特点可以前向照明也可以作背光源配合线阵相机在检测高速运动目标时使用。
环形光源的优点是在一定工作距离下，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。
同轴光源主要由高密度LED面板和分光镜组成。LED面板发出的光线经过分光镜分离后，跟CCD相机处于同一轴线上，针对表面不平整物体带来的阴影可有效消除，对干扰能够起到屏蔽作用，主要应用于光洁物体表面划痕检测。主要应用于高速运转、高精度的物体特征。如全自动电路板印刷机对位的照明。

下表对一些主要光源的形状及工业应用进行了列举：

4、照明光源驱动控制器的选择

按照各种驱动在 LED 上产生的电压或电流波形特性分类，其可分为直流驱动和交流驱动两种基本型式。
一般用于工业生产线上的机器视觉系统标置 12V/24V 电源。因此，市面上的光源控制器一般控制输出电压为 12V/24V，有恒流、恒压、频闪控制三种控制方式，有模拟控制、数字控制两种操作方式：
- 模拟控制即通过操作控制器面板上旋钮控制电源，
- 数字控制则是带有外触发可连接传感器或者电脑通过软件控制光源，可根据控制所需的精细程度来选择是否需要数字控制器。
频闪照明通过预设脉冲宽度对光源电压通断，从而进行频闪控制，能够大幅提高光源瞬间亮度，且大大减少光源发热量从而延长光源的使用寿命。在拍摄运动的物体，对于相机视场小、物体运动(或震动)速度较快的场合而言，此时选择频闪控制器提高光源的瞬间亮度是最佳选择。
在选择光源驱动控制器时，需要考虑以下几个因素：输出电压大小、通道数、控制功能和方式、是否有外触发、是否提供标准电压接口、应有过流保护和短路保护功能。根据应用所需合理选择光源驱动。

5、照明光源分析软件选用

在机器视觉照明系统中，光源的选择，光源的布局，系统的分析、优化和执行都可以通过不同的光学仿真设计软件进行辅助实现。通过光学设计软件的仿真能够大大减少实验时间，提高实验效率。
目前常用的光学设计软件有很多种，但侧重点各不相同：
- Code V、 Zemax、 OSLO 等软件侧重于成像设计；
- Lighttools、Tracepro、ASAP 等软件侧重于照明设计；
- OptiWave 软件侧重于光通讯设计；
- TFCalc、 Filmstar 等软件侧重于光学薄膜设计。
- 由于机器视觉照明系统主要侧重于照明光路的仿真设计，因此下面简单介绍Lighttools、Tracepro、ASAP 三款软件。
  - Lighttools 光学建模软件可以精确地模拟各种实际光源的外形和光学特性，使用它的照明模块 (Illumination Module) 可实现蒙特·卡罗方法 (Monte Carlo method) 光线追踪，可以获得指定表面的照度、光强度等信息。
  - TracePro 软件能够建立照明系统、透镜系统、成像系统、遥感系统、各种光学器件的模型。能够在主流 CAD 软件中预先设计照明光源的外观然后导入到 TracePro软件中，对材质及光源参数进行设定，可定义和跟踪数百万条光线；并且对所得数据进行综合分析。
  - ASAP 高级光学系统分析模拟软件可以模型化几乎任何型态的光源，可以模拟可见光、紫外线和红外线在非同调成像和非成像照明系统的各种物理现象，能够对绝大多数的光学仿真进行分析，光线追踪速度高且精准。其核心为非序列光线追迹引擎，该引擎是现有光学软件中最快速的运算引擎，并且内置绘图功能可以将几何模型、光线追迹的细节和模拟结果分析结果充分可视化。
  - 这三种软件中，Lighttools、TracePro 由于中文教程较多，因此在国内使用较广。而 ASAP 在国外知名的公司运用较多(如 Philips、Osram、Samsung、KOITO、GE等)在国内应用较少，但因其优越的性能，其在国内的推广应用也只是一个时间的问题。

6、常用光学辅助器件

偏振镜：可以有效的消除物体的表面反光。在透明或半透明物体的应力检测上偏振片有很好的应用，运用摄像机搭配偏光镜可以消除物体表面产生的反光。
漫射片：可以使光照变得均匀，是机器视觉光源中比较常见的一种光学工具。如高均匀背光源中就是在 LED 阵列之上添加漫射板而成的。
滤光镜：可限制干扰光进入摄像机中，通过透射、反射、偏振、密度衰减和散射等方法滤除干扰光，改变入射光的光谱强弱，提高图像对比度。
分光镜：能将一束光分解成多束的光学工具，不同的镀膜参数可以实现反射光和折射光比例的任意调节。上文同轴光源就是分光镜的应用。
反射镜：机器视觉照明中，光源配合反射镜可以使光源的光路和角度得到优化和随意改变，使光源安装方式更加灵活。
棱镜：利用了不同频率的光在介质中的折射率不同的原理，能得到频率较为单一的光，可以将把不同颜色的复合光分开。

7、光源颜色的选择

在机器视觉系统中常用光源光色有白色、蓝色、红色、绿色、红外、紫外。

白色光源是一种混色光，适用性广，亮度高，在拍摄彩色图像时使用更多。
蓝色光源适用于银色背景产品、薄膜上金属印刷品。
绿色光源波长界于红色与蓝色之间，主要针对产品红色背景产品，银色背景产品(如钣金，车加工件等)。
红色光源波长较长，更能提高图像对比度；可透过比较暗的物体，如绿色线路板线路检测、透光膜厚度检测等。
红外光属于不可见光，一般波长越长穿透性越好。对塑料、橡胶、颜料等有机物质穿透性极佳。主要用于医学、LCD 屏检测、视频监控、制药、塑料包装、电子、半导体等行业。
紫外光波长短，穿透力强，主要应用于证件、荧光字符条码、金属裂痕、布料表面破损、点胶、溢胶、金属表面划痕等检测。

下图所示为十二相色环图，想要更加突出某种颜色，可以选择色环上相对应的互补色光源，能明显提高该颜色在图像中的对比度。

在色环图中，等强度互补色混合能够得到白色，它们在色环上相互对应。
如主板检测时，背景色为绿色，则选用相对的互补色红色光源，可明显提高对比度。
如果要消除背景色，则选择绿色光源，突出检测目标。