机器视觉中光源的作用 机器视觉系统常用光源有哪些

机器视觉系统的核心是图像采集和处理。

所有的信息都来源于图像，图像的质量对整个视觉系统至关重要。

一幅好的图像可以提高整个系统的稳定性，从而大大降低图像处理算法的难度，提高系统的精度和可靠性。

一个好的形象应该满足以下条件：

对比：对比明显，目标与背景的边界清晰。要求目标与背景的灰度值差至少为30；

均匀性：要求画面整体亮度均匀，或整体亮度不均匀，但灰度差异不影响图像处理；

真实性：颜色相关也需要色彩真实，亮度适中，无过度曝光，像素过多满足精密检测要求；

扰民：尽量淡化背景。

光源是影响机器视觉系统图像质量的重要因素，直接影响输入数据的质量，因此光源在整个机器视觉系统中起着关键作用。

目前还没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个具体情况，设计合适的照明设备以达到最佳效果。

常见的视觉光源

机器视觉中常用的一些光源主要有：LED灯、光纤卤素灯、氙灯、高频荧光灯等。

01

led灯

使用寿命约为30000-100000小时；

优点：可使用多个led实现高亮度，可同时组合不同形状，响应速度快，可根据用途选择波长。

02

光纤卤素灯

使用寿命1000小时左右；

优点：亮度高；

缺点：影响速度慢，亮度和色温几乎没有变化。

03

氙灯

使用寿命1000小时左右；

优点：亮度高，色温接近阳光；

缺点：响应速度慢，发热量大，使用寿命短，工作电流大，电源安全要求严格，易碎。

04

荧光灯

使用寿命约为1500-3000小时；

优点：扩散性好，适合大面积均匀照射；

缺点：反应速度慢，亮度暗。

各种视觉照明方法

背光模式

1、漫射背光穿透透射

结构描述：漫射背光源置于待测工件正下方，摄像系统垂直于工件和光源拍照。

主要应用：存在性检测、计数、片材边缘检测、透明体表面和内部不透明异物或污垢检测、透明体和半透明体突变和局部渐变缺陷、镂空和标记检测等。

优点：结构简单，整体价格低廉，尺寸检测效果稳定可靠。一般图像中只有黑白区域，便于处理。相机是对着光源拍的，亮度很容易满足。

缺点：大部分在线检测项目使用不方便；多层重叠不透明会互相干扰；具有一定厚度、倒角和圆角的物体或圆柱体的尺寸测量容易出现弱边现象，结果会有偏差。如果测量精度高，可靠性不高。

应用技巧：光源面积足够，面积过大会影响边缘效果；光源离工件较远，效果会有一定程度的提升；使用物镜远心镜头可以提高稳定性；图像的亮度不能过曝，最亮部分的灰度值通常不超过220。

:平行背光穿透透射

结构描述：平行背光源置于待测工件正下方，摄像系统垂直于工件和光源拍照。

主要应用：产品边缘形状不适合漫射背光造成的精确边缘检测、定位和尺寸测量。

优点：光线平行性好，成像效果极佳，测量精度、准确度、稳定性高。

缺点：光源本身结构复杂，成本高，对其他配套硬件要求高(如配合远心镜头使用等。)且对安装调试要求高。

应用技巧：光源和镜头必须同轴对准。如果是的话

在平行光照射的情况下，边缘区域将光折射到透镜入瞳外的区域，显示为黑色，与背景对比明显。

使用漫射背光测量时，由于侧面光线反射到镜头中，会出现上图所示的“暗淡”现象，过渡像素多，无法满足高精度测量的要求，影响测量的精度。

使用大小相同的平行背光，所有光线方向统一，图像边缘锐利，像素过度减少。同时，远心镜头的使用可以提高成像的稳定性和精度，进一步减少环境杂散光的干扰。

前照明模式

1、低角度直射光应用

结构描述：低角度照明，平面的反射无法进入镜头，图像亮度低；凹凸不平的部分反射光线进入镜头，图像亮度高。

主要应用：表面划痕检测、标记字符检测与识别、表面异物检测、边缘尺寸测量、定位、倒角测量、冲压、铸造字符图案检测与识别等项目。

优点：安装方便，效果稳定。

缺点：透明材质和表面划痕对边缘的影响不明显。有些情况下，现场光源必须在一定高度以上，影响效果。

常见光源：条形灯、线形灯、低角度环形灯等。

在低角度光源照射下，图像背景为黑色，即暗场照明，可显示45 ~ 60的斜度信息，如物体边缘的倒角，也可显示表面凹凸、划痕、雕花等杂乱的特征。

2、应用高角度直射光

结构描述：高角度照明使平面的反射更容易进入镜头，图像亮度更高；凹凸不平的部分无序反射光线，部分光线无法进入镜头，图像亮度低。

主要应用：表面划痕检测、标记字符检测与识别、表面异物检测、边缘尺寸测量、定位、冲压、铸造字符图案监测与识别等项目。

优点：效果明显，细节清晰。

缺点：均匀度难以调节。

常见光源：高角度环光、条形光、面光、同轴光、点光。

在高角度光源照射下，图像的背景是白色的，即明场照明，可以显示物体表面平坦区域的轮廓特征，以及表面杂乱的划痕和台阶，不同表面粗糙度或光反射率的区域会有明显的差异。

折射光应用

结构描述：光源置于被检物体的下方或一侧，直射光通过平面垂直射入工件，从另一侧射出。在平坦表面部分，透射光沿与入射光相同的方向发射，而在不平坦表面部分，透射光根据折射定律偏离入射光的方向；此时，透镜的主轴与工件表面垂直，平坦的部分会在图像中表现为明亮的背景特征，而不平坦的部分则相反，会在明亮的背景上表现为较暗的特征。

主要应用：透明物体表面微小划痕的检测，形状和图案的识别和检测，物体表面平整度和厚度均匀性的检测等。

优点：效果明显，细节清晰，稳定性好。

缺点：在某些情况下，结构不便于安装。

常见光源：面光源、点阵光源、透明绘图的层光源等。

散射光应用

直射光从检测目标的一侧照射，照射到微观粗糙结构时发生散射。没有散射的区域是暗场，图像中的亮度比较低，而散射区域的亮度比较高。

应用技巧：在保证良好传输性能的情况下，尽量选择波长较短的光源。

主要应用：玻璃、塑料等透明物体的微划痕检测，表面激光雕刻的字符识别和检测，边缘定位测量

右图是啤酒瓶瓶盖，检验对象是喷在上面的代码。每个盖子将有不同的背景颜色和图案，如第一张图所示，第二张图和第三张图中使用的盖子是蓝色和绿色背景。如果选择与背景同色的光源，就可以得到图中的效果。背景被滤除或大大减弱，字符检测和识别不再受到干扰。

如何选择/设计视觉光源的照明方案

:基本想法

光照射到物体表面后会发生一系列光学现象，主要包括镜面反射、漫反射、表面散射、折射、后向散射、透射、后向散射和色散。一部分光被物体吸收，各种情况的条件由物体表面的形状、微观结构、颜色、化学成分等客观条件决定。

不同表面的各种光学现象差异很大。比如镀膜好的镜面，光照后几乎完全反射，即镜面反射占最主要的成分；光线近乎垂直地撞击玻璃后，几乎完全穿透，从另一侧射出。在这种情况下，传输是最重要的组成部分。黑色的粗糙表面，基本上没有光的反射或透射，几乎所有的光都会被吸收。

此外，光学效果还取决于光源的照明方式和照明方式。比如漫射光的均匀照射，可以消除物体表面不平整造成的差异。另一方面，平行光照射可以突出物体的不平坦表面。

因此，为了得到预期的效果，需要选择合适的光源和合适的照射方式。

2、选择光源的一般过程

理解项目要求，定义要检测或测量的目标；

分析目标和背景的差异，找出两者成像差异最大的光学现象。

根据光源与目标的匹配关系，初步确定光源的发光类型和颜色；

测试实际光源，确定符合要求的照明方式；

根据具体情况，确定适合客户的产品。

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