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理想的光源應該是明亮,均勻,穩定的

視覺系統使用的光源主要有三種

高頻熒光燈

光纖鹵素燈

LED(發光二極管)照明

高頻熒光燈

使用壽命約1500-3000小時

優點:擴散性好、適合大面積均勻照射

缺點:響應速度慢,亮度較暗

光纖鹵素燈

使用壽命約1000小時

優點:亮度高

缺點:響應速度慢,幾乎沒有光亮度和色溫的變化

LED燈

使用壽命約10000-30000小時

響應速度快,波長可以根據用途選擇

可以使用多個LED達到高亮度,同時可組合不同的形狀

LED光源的優勢

可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度;

可根據需要制成各種顏色,并可以隨時調節亮度;

通過散熱裝置,散熱效果更好,光亮度更穩定;

使用壽命長(約3萬小時,間斷使用壽命更長);

反應快捷,可在10微秒或更短的時間內達到最大亮度;

電源帶有外觸發,可以通過計算機控制,起動速度快,可以用作頻閃燈;

運行成本低、壽命長的LED,會在綜合成本和性能方面體現出更大的優勢;

可根據客戶的需要,進行特殊設計。

LED光源的顏色

主要顏色

紅色

藍色

綠色

白色

其他顏色

橙色

紅外

紫外

照明技術的基礎知識

照射光的種類

直射光

主要來自于一個方向的光,可以在亮色和暗色陰影之間產生相對高的對比度圖像。

漫射光(擴散光)

各種角度的光源混合在一起的光。日常的生活用光幾乎都是擴散光。

偏振光

在垂直于傳播方向的平面內,光矢量只沿某一個固定方向振動的光。通常是利用偏光板(片)來防止特定方向的反射。

平行光

照射角度一致的光。太陽光就是平行光。發光角度越窄的LED直射光越接近平行光。

對比度:對比度對機器視覺來說非常重要?;魘泳跤τ玫惱彰韉淖鈧匾娜撾窬褪鞘剮枰還鄄斕奶卣饔胄枰緩雎緣耐枷裉卣髦洳畬蟮畝員榷?,從而易于特征的區分。對比度定義為在特征與其周圍的區域之間有足夠的灰度量區別。好的照明應該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。

六種照明技術

通用照明,背光,同軸(共軸),連續漫反射,暗域及結構光。 (1)一般目的的照明

通用照明一般采用環狀或點狀照明?;返剖且恢殖S玫耐ㄓ謎彰鞣絞?,其很容易安裝在鏡頭上,可給漫反射表面提供足夠的照明。

背光照明:

背光照明是將光源放置在相對于攝像頭的物體的背面。這種照明方式與別的照明方式有很大不同因為圖像分析的不是發水光而是入射光。背光照明產生了很強的對比度。應用背光技術時候,物體表面特征可能會丟失。例如,可以應用背光技術測量硬幣的直徑,但是卻無法判斷硬幣的正反面。

同軸照明:

同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直于透鏡的光源通過。同軸照明技術對于實現扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外此技術還可以實現使表面角度變化部分高亮,因為不垂直于攝像頭鏡頭的表面反射的光不會進入鏡頭,從而造成表面較暗。連續漫反射照明:連續漫反射照明應用于物體表面的反射性或者表面有復雜的角度。連續漫反射照明應用半球形的均勻照明,以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170立體角范圍的均勻照明。

暗域照明:

暗域照明是相對于物體表面提供低角度照明。使用相機拍攝鏡子使其在其視野內,如果在視野內能看見光源就認為使亮域照明,相反的在視野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明還是暗域照明與光源的位置有關。典型的,暗域照明應用于對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

(結構光:結構光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光(如線形、圓形、正方形)。典型的結構光涉及激光或光纖。結構光可以用來測量相機到光源的距離。多軸照明:在許多應用中,為了使視野下不同的特征表現不同的對比度,需要多重照明技術。

選擇光源應考慮的系統特性

亮度

當選擇兩種光源的時候,最佳的選擇是選擇更亮的那個。當光源不夠亮時,可能有三種不好的情況會出現。第一,相機的信噪比不夠;由于光源的亮度不夠,圖像的對比度必然不夠,在圖像上出現噪聲的可能性也隨即增大。其次,光源的亮度不夠,必然要加大光圈,從而減小了景深。另外,當光源的亮度不夠的時候,自然光等隨機光對系統的影響會最大。

魯棒性

測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當光源放置在攝像頭視野的不同區域或不同角度時,結果圖像應該不會隨之變化。方向性很強的光源,增大了對高亮區域的鏡面反射發生的可能性,這不利于后面的特征提取。在很多情況下,好的光源需要在實際工作中與其在實驗室中的有相同的效果。好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯,除了是攝像頭能夠拍攝到部件外,好的光源應該能夠產生最大的對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。光源選擇好了,剩下來的工作就容易多了!機器視覺應用關心的是反射光(除非使用背光)。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射?;魘泳跤τ玫墓庠純刂頻木髑瞎榻岬揭壞憔褪僑綰慰刂乒庠捶瓷?。如何能夠控制好光源的反射,那么獲得的圖像就可以控制了。因此,在機器視覺應用中,當光源入射到給定物體表面的時候,明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

光源可預測

當光源入射到物體表面的時候,光源的反映是可以預測的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收(黑金屬材料,表面難以照亮)或者被部分吸收(造成了顏色的變化及亮度的不同)。不被吸收的光就會被反射,入射光的角度等于反射光的角度,這個科學的定律大大簡化了機器視覺光源,因為理想的想定的效果可以通過控制光源而實現。

物體表面:如果光源按照可預測的方式傳播,那么又是什么原因使機器視覺的光源設計如此的棘手呢?使機器視覺照明復雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的,在解決實際應用的時候就沒有必要采用不同的光源技術了。但由于物體表面的不同,因此需要觀察視野中的物體表面,并分析光源入射的反映。

控制反射

如果反射光可以控制,圖像就可以控制了。這點再怎么強度也不為過。因此在涉及機器視覺應用的光源設計時,最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度?;魘泳醯墓庠瓷杓憑褪嵌苑瓷淶難芯?。在視覺應用中,當觀測一個物體以決定需要什么樣的光源的時候,首先需要問自己這樣的問題:“我如何才能讓物體顯現?”“我如何才能應用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表?” 影響反射效果的因素有:光源的位置,物體表面的紋理,物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。

光源的位置

既然光源按照入射角反射,因此光源的位置對獲取高對比度的圖像很重要。光源的目標是要達到使感興趣的特征與其周圍的背景對光源的反射不同。預測光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

表面紋理

物體表面可能高度反射(鏡面反射)或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個漫反射的表面,如一張不光滑的紙張,有著復雜的表面角度,用顯微鏡觀看的時候顯得很明亮,這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開了。而一張光滑的的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

表面形狀

一個球形表面反射光源的方式與平面物體不近相同。物體表面的形狀越復雜,其表面的光源變化也隨之而復雜。對應一個拋光的鏡面表面,光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。

光源均勻性

不均勻的光會造成不均勻的反射。均勻關系到三個方面。

對于視野,在攝像頭視野范圍部分應該是均勻的。簡單的說,圖像中暗的區域就是缺少反射光,而亮點就是此處反射太強了。不均勻的光會使視野范圍內部分區域的光比其他區域多。從而造成物體表面反射不均勻(假設物體表面的對光的反射是相同的)。均勻的光源會補償物體表面的角度變化,即使物體表面的幾何形狀不同,光源在各部分的反射也是均勻的。

光源技術的應用:光源技術是設計光源的幾何及位置以使圖像有對比度。光源會使那些感興趣的并需要機器視覺分析的區域更加突出。通過選擇光源技術,應該關心物體使如何被照明及光源是如何反射及散射的。
六、如何選擇光源

背光——測量系統的最佳選擇

亮場——最直接的照明

暗場——適合光滑表面的照明

結構光法——最簡便的三維測量

彩色的考慮——三原色。

光的三原色:紅、綠、藍;色彩三原色:青、紫、黃

世界上所有顏色都是由三原色按不同比例組合而成

三原色的色光疊加為白光。如:日光

三原色的色彩疊加為黑色

紅、綠、藍三色為互補色。光照在物體上,物體只反射與自身顏色相同的色光;不同色光照在互補色物體上完全不反光。如:紅光照紅色物體,黑白相機成象物體為白色;紅光照綠色物體,黑白相機成象物體為黑色'

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