图像与机器视觉之光源篇

深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739图像与机器视觉之光源篇机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，疑问它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果一、为什么要是用光源通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到昀佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种：‹照亮目标，提高目标亮度；‹形成昀有利于图像处理的成像效果；‹克服环境光干扰，保证图像的稳定性；‹用作测量的工具或参照；由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要设计形影的照明装置，以达到昀佳效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。二、光源的分类及特点光源是指能够产生光辐射的辐射源，一般分为天然光源和人造光源。天然光源是自然界中存在的辐射源，如太阳、天空、恒星等。人造光源是人为将各种形式的能量（热能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源。按照发光机理，人工光源一般可以分为以下几类：白炽灯、卤钨灯热辐射光源黑体辐射器汞灯荧光灯钠灯金属卤化物灯氚灯气体放电光源空心阴极灯场致发光二极管发光二极管固体反光光源空心阴极灯气体激光器固体激光器燃料激光器人工光源激光器半导体激光器深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739三、光源的基本参数1.辐射效率和发光效率在给定λ1---λ2波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率。在机器视觉系统设计中，在光源的光谱分布满足要求的前提下，应尽可能选用辐射效率较高的光源。某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，称为该光源的光效率。在照明领域或者光度测量系统中，一般应选用发光效率较高的光源。2.光谱功率分布自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其昀大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。3.空间光强分布对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同的。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的断电连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。4.光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射的特性来近似的表示。对于一般光源，经常用分布温度、色温或相关色温表示。z分布温度辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为辐射源的分布温度。z色温辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于某一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。z相关色温对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体的黑体辐射的颜色都不相同。这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点昀接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。5.光源的颜色光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。国际照明委员会（CIE）规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的“试验色”。6.光源的寿命机器视觉系统多用于工业现场，系统与器件的维护时用户关心的重要问题。采用长寿命光源降低后期维护费用是用户的广泛需求。常用的集中可见光源白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯，这些光源的一个昀大缺点是光不能保持长期稳定，衰减较快。以日光灯为例，在使用的第一个100小时内，光能将下降15%，随着使用时间的增加，光能还将不断下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持稳定，是实用化过程中亟需解决的问题。发光二极管（LED）光源作为一种新型的半导体发光材料，在寿命方面具有非常明显的优势。根据纽约特洛伊照明研究中心所进行的独立研究测试所获得的结果可知，普通5mmLEDzai20mA驱动电流下工作，光衰情况如下所示：z2000-2500小时，光衰到70%；深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739z6000小时，光衰到50%；另据资料显示，如果驱动电流降低到10mA,普通5mmLED的衰减速度将会大大降低，半衰期可达到10000-30000小时。新型的大功率LED在寿命上又达到了一个新的高度，20000小时光衰到80%，并且伺候的衰减非常缓慢，半衰期可达到100000小时以上。用作工业检测设备的光源优势非常明显，是今后机器视觉系统光源制作的首选器件。四、机器视觉系统的照明设计1.常用照明技术1直射光与漫射光以炮弹型LED光源为例，直射光的发散角度较小，光能量相对集中，光源亮度高，当目标位漫反射材料时，可以使目标更加明亮，当目标位镜面反射材料时，目标表面会形成亮点（实际是对光源成的像），均匀性差，不利于检测；散射光是在直射光的前面覆盖一层漫反射半透明材料，形成二次光源，随着漫反射材料透明度的降低，透射光的发散角度增大，散射光的均匀性不断提高，但同时亮度会大幅降低，对于镜面反射材料目标，均匀的发光面可以避免目标表面形成热点，从而得到比较理想的检测图像。2互补色与近邻色---色光混合规律光的三原色是红、绿、蓝，三原色中任意一色都不能由另外两种原色混合产生，而其他色光可有这三色光按照一定的比例混合出来。色光连续变化规律：由两种色光组成的混合色中，如果一种色光连续变化，混合色也连续变化。补色律：三原色光等量混合，可以得到白光。如果先将红光与绿光混合得到黄光，黄光再与蓝光混合，也可以得到白光。这两种颜色称为补色。昀基本的互补色有三对：红-青，绿-品红，蓝-黄。补色的一个重要性质：一种色光照射到其补色的物体上，则被吸收。如用蓝光照射黄色物体，则呈现黑色。中间色律：任何两种非补色光混合，便产生中间色。其颜色取决于两种色光的相对能量，其鲜艳程度取决于二者在色相顺序上的远近。代替律：颜色外貌相同的光，不管它们的光谱成分是否一样在色光混合中都具有相同的效果。凡是在视觉上LED光源直射光光线示意图LED光源散射光光线示意图深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739相同的颜色都是等效的。即相似色混合后仍相似。如果颜色光A=B/C=D,那么：A+C=B+D.色光混合的代替规律表明：只要在感觉上颜色是相似的便可以相互代替，所得的视觉效果是同样的。以上四个规律是色光混合的基本规律。这些规律可以指导机器视觉光源系统设计。例如可以根据目标的颜色不同来选择不同光谱的光源照射，利用补色律和亮度相加律得到突出目标亮度，削弱背景的目的，以达到昀终突出目标的效果。3前景光与背景光前景光，即光源、相机位于目标的同侧的照明方式；背景光，也称背光，则是指光源、相机位于目标的异侧的照明方式。前景光利于表现物体的表面细节特征，可用于各种表面检测。背景光照明有两种截然不同的使用：以投射方式观察的透明物体和使不透明物体轮廓成像。薄玻璃就是用背光观察的透明产品。那些与透镜不是同轴的点状照明突出了表面瑕疵（刮痕，凿沟）以及内部缺陷（泡，夹杂物）；背光照明更常用语表现不透明部分的轮廓。轮廓是容易处理的图像，因为它本身就是二维和二元的。灵活的零件进料器经常用背光照明的图像确定装配中机器人选取的机械零件的定位。前景光的照明方式很多，而背景光的照明方式通常比较单一，利用背景光创造一个明亮的背景，而不透明或半透明的目标形成暗区，反差强烈。背景光更适合检查底片中缺陷和测量外形尺寸。2.LED光源的照明设计下面是现在被广泛使用的LED光源特点及应用介绍选型指南产品概述条形光源特点典型应用LED排数条形光源光源颜色外形尺寸XR3-D42*17CT-条形光源系列条形光源（可控照明，红色，蓝色，绿色单色光源）也叫条形灯是一种从侧面打光的照明光源，常用的角度是45度，也有更小的角度。侧光灯可以避免正面照射产生的强烈反光，同时还可以对边缘部分实现高亮的照明。是一种在尺寸测量、外观检测方面应用非常广泛的一种照明方式。¾高亮度大密度的LED阵列置于紧凑的条形结构中，它可提供任何角度的倾斜照明光。¾涵盖全波长范围(UV光源需订制)。¾具有从3排到6排的LED列阵，适应各种不同应用场合zLCD缺陷的检测；包装文字检测z包装膜破损检测；纸张质量检测z常规印刷质量检测；制造物裂纹的检测z电子部件的形状识别和大小的测量；z各种线阵检测；代换直型日光灯管，具有比日光灯管超长的使用寿命深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739应用案例条形光源组合照射大面积的电路板，照射带有反光面的电子表的表面，图像清晰，照射面大且照射均匀，特征很明显。打光均匀且亮度高。条形光源组合照射弧面且反光的仪表盘面，方向可调，条形光源定向照明，灯座表面轮廓十分清晰，定向缺角为黑色，避免反光干扰，照射面积大可轻松定向。深圳市科视创科技有限公司深圳市科视创科技有限公司TEL：0755-36897097FAX：[phone]E-mail:[e-mail]：52141739条形光源规格型号表类型型号LED排数参数说明CT-D37*12R2-X2排外形尺寸37*12*17mm，发光区27*10mmCT-D65*25R3-X3排外形尺寸65*25*21mm，发光区50*17mmCT-D115*25R3-X3排外形尺寸115*25*21mm，发光区100*17mmCT-D165*25R3-X3排外形尺寸165*25*21mm，发光区150*17mmCT-D215*25R3-X3排外形尺寸215*25*21mm，发光区200*17mmCT-D265*25R3-X3排外形尺寸265*25*21mm，发光区250*17mmCT-D315*25R3-X3排外形尺寸315*25*21mm，发光区300*17mmCT-D415*25R3-X3排外形尺寸415*25*21mm，发光区400*17mmCT-D515*25R3-X3排外形尺寸515*25*21mm，发光区500*17mmCT-D615*25R3-X3排外形尺寸615*25*21mm，发光区600*17mmCT-D815*25R3-X3排外形尺寸815*2