照明的質(zhì)量和適宜性是創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)大和及時(shí)的視覺(jué)檢查的關(guān)鍵方面。 為了設(shè)計(jì)一個(gè)有效的視覺(jué)照明解決方案,除了了解照明類(lèi)型,技術(shù),幾何形狀,濾波,傳感器特性和顏色之外,還需要對(duì)檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行全面的分析,包括樣品表現(xiàn)和樣品/光線的相互作用。 設(shè)計(jì)并遵循嚴(yán)格的照明分析序列提供了一致和強(qiáng)大的環(huán)境,從而最大限度地利用時(shí)間,精力和資源 – 在視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),測(cè)試和實(shí)施的其他關(guān)鍵方面得到更好的使用。 本教程演示了機(jī)器視覺(jué)照明的概念和理論。
目錄
1. 介紹
2. 視覺(jué)照明源和光譜內(nèi)容
3. 視覺(jué)照明的基石
4. 考慮優(yōu)化照明解決方案
5. 照明技術(shù)
6. 應(yīng)用領(lǐng)域
7. 照明分析的順序
8. 概要
9.相關(guān)鏈接
1.介紹
也許視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的其他方面一直造成比照明更多的延遲,成本超支和普遍的恐慌。 從歷史上看,照明往往是指定,開(kāi)發(fā)或資助的最后一個(gè)方面。 這種方法并不完全沒(méi)有根據(jù),因?yàn)橹钡阶罱?,市?chǎng)上還沒(méi)有真正的視覺(jué)專(zhuān)用照明,這意味著照明解決方案通常由標(biāo)準(zhǔn)白熾燈或熒光消費(fèi)產(chǎn)品組成,具有不同的環(huán)境貢獻(xiàn)量。
本指南旨在提出開(kāi)發(fā)適合樣本的照明的標(biāo)準(zhǔn)方法,而不是糾纏于理論處理。 它在實(shí)際框架中詳細(xì)介紹了相關(guān)方面,并在適用情況下從以下方面舉例說(shuō)明:
① 了解照明類(lèi)型和應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn),視覺(jué)相機(jī)和傳感器的量子效率和光譜范圍,照明技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)于表面平坦度和表面反射率
② 熟悉視覺(jué)照明的四個(gè)基石:幾何,圖案或結(jié)構(gòu),波長(zhǎng)和濾鏡
③ 對(duì)即時(shí)檢測(cè)環(huán)境(物理約束和要求)的詳細(xì)分析和針對(duì)您獨(dú)特樣品的樣品/光線相互作用
當(dāng)您積累并分析了這些領(lǐng)域的信息后,就具體的樣品和檢測(cè)要求而言,您可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)照明分析的主要目標(biāo) – 提供符合三個(gè)接受標(biāo)準(zhǔn)的樣本適當(dāng)照明:
① 最大限度地利用這些功能的對(duì)比
② 盡量減少其他地方的對(duì)比度
③提供一個(gè)健壯的措施
每個(gè)檢查都是不同的,例如,只有在部件尺寸,形狀,方向,位置或環(huán)境變量(如環(huán)境光線貢獻(xiàn)度)不存在不一致的情況下,符合接受標(biāo)準(zhǔn)1和2的照明解決方案才有效(見(jiàn)圖1)。
圖1.便簽紙包裝上的玻璃紙包裝紙顯示左側(cè)符合所有三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),而右側(cè)只符合標(biāo)準(zhǔn)一和二。 在這種情況下,皺紋不排除一個(gè)良好的條形碼閱讀。 但是,如果皺紋在下一包裝上的不同位置呢?
2.視覺(jué)照明源和光譜內(nèi)容
機(jī)器視覺(jué)中常用的照明光源是熒光燈,石英鹵素?zé)?,LED,金屬鹵化物(汞)和氙氣。
熒光燈,石英鹵素?zé)艉蚅ED是機(jī)器視覺(jué)中使用最廣泛的照明類(lèi)型,特別是對(duì)于中小型檢測(cè)站。 金屬鹵化物,氙氣和高壓鈉更典型地用于大規(guī)模應(yīng)用或需要非常明亮光源的區(qū)域。 金屬鹵化物,也被稱(chēng)為汞,經(jīng)常用于顯微鏡,因?yàn)樗性S多離散的波長(zhǎng)峰,這補(bǔ)充了熒光研究的過(guò)濾器的使用。 氙氣燈對(duì)于需要非常亮的頻閃燈的應(yīng)用非常有用。 圖2顯示了應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)的熒光燈,石英鹵素?zé)艉蚅ED照明類(lèi)型以及相關(guān)選擇標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)。 例如,盡管LED照明具有更長(zhǎng)的壽命,但石英鹵素照明可能是特定檢查的選擇,因?yàn)樗峁┝烁蟮膹?qiáng)度。
圖2.普通視覺(jué)照明光源的比較
從歷史上看,熒光燈和石英鹵素?zé)艄庠匆驯粡V泛使用。 近年來(lái),LED技術(shù)的穩(wěn)定性,強(qiáng)度和成本效益都有所提高, 然而,對(duì)于大面積照明,特別是與熒光光源相比,它仍然不具有成本效益。 但是,如果應(yīng)用靈活性,輸出穩(wěn)定性和壽命是重要的參數(shù),那么LED照明可能更合適。 根據(jù)具體的照明要求,通常情況下,您可以為特定的實(shí)施使用多種光源類(lèi)型,大多數(shù)視覺(jué)專(zhuān)家認(rèn)為,一種光源類(lèi)型不能充分解決所有照明問(wèn)題。
不僅要考慮光源的亮度,還要考慮光譜的內(nèi)容(圖3)。 例如,顯微鏡應(yīng)用通常使用全譜石英鹵素?zé)簦療艋蚬療?,尤其是在彩色成像時(shí); 然而,隨著“全彩RGB”和白光LED燈頭的出現(xiàn),單色LED光源對(duì)于黑白CCD照相機(jī)也是有用的,現(xiàn)在也用于彩色應(yīng)用。
在需要高光強(qiáng)度的應(yīng)用中,如高速檢測(cè),將光源的光譜輸出與特定視覺(jué)相機(jī)的光譜靈敏度相匹配可能是有用的(圖4)。 例如,基于CMOS傳感器的相機(jī)比其電荷耦合器件(CCD)相對(duì)更具紅外靈敏度,在使用紅外LED或富含紅外鎢的光源時(shí),在光源不足的檢測(cè)設(shè)置中具有顯著的靈敏度優(yōu)勢(shì)。
圖3.光源相對(duì)強(qiáng)度與光譜內(nèi)容(底部的條表示近似的人類(lèi)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍)
圖4.相機(jī)傳感器絕對(duì)量子效率與波長(zhǎng)(底部的條表示近似的人類(lèi)可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍)
另外,圖3和圖4示出了在選擇照相機(jī)和光源時(shí)要考慮的其他幾個(gè)相關(guān)點(diǎn):
①?lài)L試將傳感器的峰值靈敏度與光源的峰值波長(zhǎng)相匹配,以充分利用其輸出。
②當(dāng)與窄通濾波器匹配時(shí),窄波長(zhǎng)源(如單色LED或汞)有利于通過(guò)戰(zhàn)略波長(zhǎng)。 例如,與紅色LED燈相匹配的紅色660 nm帶通濾光片可有效阻止來(lái)自高架熒光燈或汞源的工廠地板上的環(huán)境光線。
③陽(yáng)光具有原始強(qiáng)度和寬帶光譜含量,以引起任何視覺(jué)檢查結(jié)果的質(zhì)疑 – 使用不透明的房屋。
④ 即使你的頭腦擅長(zhǎng)解釋你的眼睛看到的東西,人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)在極限靈敏度和光譜動(dòng)態(tài)范圍方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 – 讓你的眼睛看到用視覺(jué)相機(jī)獲得的圖像。
3.視覺(jué)照明的基石
視覺(jué)照明的四個(gè)基石是:
①幾何 – 樣本,光照和相機(jī)之間的三維空間關(guān)系
② 結(jié)構(gòu)或圖案 – 投射到樣品上的光的形狀
③ 波長(zhǎng)或顏色 – 光線如何被樣品及其直接背景差異反射或吸收
④濾波器 – 差分阻塞和通過(guò)波長(zhǎng)和/或光的方向
了解如何使用四個(gè)基石來(lái)操縱和提高樣本對(duì)比度,對(duì)于滿(mǎn)足評(píng)估照明質(zhì)量和魯棒性的三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。 通過(guò)幾何體影響對(duì)比度變化涉及移動(dòng)樣本,光線和/或相機(jī)位置,直到找到合適的配置。 例如,同軸環(huán)形燈(一個(gè)安裝在相機(jī)周?chē)┛赡茉诎敕瓷錀l碼表面上產(chǎn)生熱點(diǎn)眩光,但是通過(guò)簡(jiǎn)單地離軸移動(dòng)光線,熱點(diǎn)眩光也移出照相機(jī)的視野。 通過(guò)結(jié)構(gòu)或投射到樣品上的光的形狀,對(duì)比度變化通常是光頭或照明技術(shù)特定的(參見(jiàn)本系列第2部分中的照明技術(shù)部分)。 通過(guò)顏色照明的對(duì)比度變化與差異顏色吸光度對(duì)反射率有關(guān)(參見(jiàn)樣品/光線相互作用)。
4.考慮優(yōu)化照明解決方案
就照明環(huán)境而言,確定最佳照明解決方案時(shí)需要考慮兩個(gè)方面:(1)即時(shí)檢測(cè)環(huán)境和(2)樣品/光照相互作用
考慮來(lái)自這些評(píng)估的所有信息,以及可用的光學(xué),照明類(lèi)型,技術(shù)和四個(gè)基石,以開(kāi)發(fā)符合三個(gè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的適合樣本的照明解決方案。
即時(shí)檢查環(huán)境
充分了解立即檢查區(qū)域在3D空間中的物理要求和限制至關(guān)重要。 特別地,取決于特定的檢查要求,使用機(jī)器人拾放機(jī)器或預(yù)先存在的但是必要的支撐結(jié)構(gòu)可能?chē)?yán)重地限制了有效照明解決方案的選擇,通過(guò)強(qiáng)制折衷不僅限于照明,還有其幾何形狀,工作距離,強(qiáng)度和圖案。 例如,您可以確定需要使用漫射光源,但由于自上而下的特寫(xiě)有限,因此無(wú)法應(yīng)用。 對(duì)高速線路的檢查可能需要強(qiáng)烈的連續(xù)光線或閃光燈來(lái)凍結(jié)運(yùn)動(dòng),當(dāng)然,大的物體對(duì)于照明來(lái)說(shuō)也是完全不同的挑戰(zhàn)。 另外,一致的部件放置和展示也是重要的,特別是取決于正在檢查的特征。 然而,即使照明部分放置和展示不一致,也可以作為最后的手段,如果完全理解。
環(huán)境光貢獻(xiàn)
環(huán)境光輸入的存在會(huì)對(duì)檢查的質(zhì)量和一致性產(chǎn)生巨大影響,特別是在使用多光譜光源如白光的情況下。 最常見(jiàn)的環(huán)境影響因素是高架工廠照明和陽(yáng)光照射,但偶爾會(huì)有其他檢測(cè)站甚至同一工作單元的其他工作站的視覺(jué)特定任務(wù)照明產(chǎn)生影響。
有三種處理環(huán)境光的有效方法:(1)具有短持續(xù)時(shí)間脈沖的高功率選通,(2)物理外殼,以及(3)通過(guò)濾波器。 應(yīng)用哪種方法是許多因素的函數(shù),其中大部分將在后面的章節(jié)中詳細(xì)討論。 大功率選通只是壓倒了環(huán)境的貢獻(xiàn),但是在人體工程學(xué),成本和實(shí)施方面卻有缺點(diǎn),而且并不是所有的熒光燈都可以被頻閃。 如果您不能使用選通,并且如果應(yīng)用程序要求使用彩色照相機(jī),則多光譜白光對(duì)于精確的色彩還原和平衡是必需的。 在這種情況下,窄波長(zhǎng)的通過(guò)濾波器是無(wú)效的,因?yàn)樗鼤?huì)阻擋大部分的白光貢獻(xiàn),因此外殼是最好的選擇。
但是,這個(gè)一般規(guī)則也有例外。 例如,一個(gè)700納米的短路濾波器,也稱(chēng)為IR阻斷器,是彩色攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置,因?yàn)榧t外成分會(huì)改變顏色的準(zhǔn)確性和平衡性,特別是綠色通道。 圖5說(shuō)明了如何使用通過(guò)濾光片可以非常有效地阻擋環(huán)境光,特別是當(dāng)感興趣的光是低產(chǎn)量熒光時(shí)。
圖5.左圖顯示的是帶有紫外環(huán)光的nyloc螺母,但充滿(mǎn)了660 nm的“環(huán)境光”。 目標(biāo)是確定尼龍的存在/不存在。 由于周?chē)h(huán)境的貢獻(xiàn)很大,很難從樣品的相對(duì)低產(chǎn)量的藍(lán)色熒光燈中獲得足夠的對(duì)比度。 正確的圖像具有相同的光照,除了相機(jī)鏡頭上安裝了510納米的短通濾波器,可以有效地阻擋紅色“環(huán)境”光線,并允許藍(lán)色450納米光線通過(guò)。
樣品/光線相互作用
樣品表面與特定任務(wù)和環(huán)境光的相互作用與許多因素有關(guān),包括表面形狀,幾何形狀和反射率以及其組成,地形和顏色。 這些因素的組合決定了多少光線以及以何種方式反射到相機(jī),并隨后可用于采集,處理和測(cè)量。 例如,一個(gè)曲面鏡面(如蘇打水罐的底部)(圖6)反射一個(gè)定向光源,與平面漫反射表面(如復(fù)印紙)不同。 類(lèi)似地,取決于光的類(lèi)型和幾何形狀,諸如填充PCB的地形表面不同于平坦但具有細(xì)紋理或凹坑(圖7)的表面。
圖6.在左側(cè),汽水罐的底部用明亮的環(huán)形燈照亮,但顯示出差的對(duì)比度,不均勻的光照和鏡面反射。 在右邊,蘇打水可以用漫射光成像,創(chuàng)造一個(gè)平坦的背景,所以代碼可以被讀取。
圖7.左側(cè)的二維點(diǎn)陣矩陣碼由明場(chǎng)環(huán)形光照亮。 右側(cè)用低角度線性暗場(chǎng)光成像。 光線模式的簡(jiǎn)單改變創(chuàng)造了一個(gè)更加有效和強(qiáng)大的檢查。
顏色分析
圖8 – 色輪
材料反射和/或吸收不同波長(zhǎng)的光,這種效應(yīng)對(duì)黑白和彩色成像空間都是有效的。 喜歡顏色反射和表面是明亮的; 相反,相反的顏色吸收和表面變暗。 使用暖色與冷色的簡(jiǎn)單色輪(圖8),您可以在零件與其背景之間產(chǎn)生差異對(duì)比(圖9),甚至在有限的已知調(diào)色板上區(qū)分顏色部分,白色相機(jī)(圖10)。
圖9.在(a)紅光,(b)綠光,(c)藍(lán)光下產(chǎn)生的郵件圖像,產(chǎn)生的對(duì)比度比綠色低,(d)白光,對(duì)比度比藍(lán)色或綠色少。 白光對(duì)比所有顏色,但可能是對(duì)比度的妥協(xié)。
圖10.糖果碎片在(a)白光和彩色CCD照相機(jī),(b)白光和黑白照相機(jī),(c)紅光下照亮,使紅色和黃色都變亮并使藍(lán)色變暗,(d )紅光和綠光,產(chǎn)生黃色,比黃光更亮,(e)綠光,綠光和藍(lán)光,使紅光變暗,(f)藍(lán)光,使藍(lán)光變亮,使其他光線變暗。
樣品成分和透光率
樣本組成可以極大地影響任務(wù)照明撞擊在零件上發(fā)生的情況。 一些塑料可能只透過(guò)某些波長(zhǎng)范圍的光線,否則是不透明的; 有些可能不會(huì)透射,而是內(nèi)部漫射光線; 還有一些可能會(huì)吸收光線,只能以相同的波長(zhǎng)或不同的波長(zhǎng)(熒光)重新發(fā)射。 熒光標(biāo)簽和染料也常用于印刷行業(yè)的油墨(圖11)。
文章來(lái)源:機(jī)器視覺(jué)網(wǎng),犀靈機(jī)器人http://bpmconsultant.com整理發(fā)布