机器视觉光源选型

光源选型
背景：机器视觉光源是构建机器视觉系统首要考虑的因素，一个合适的视觉光源能够对整个机器视觉检测项目起到事半功倍的作用。

目的：为了使视觉检测过程变得更加的方便，效果更加的明显，效率更加的高，才有了光源的选型。

光源的基本要素：
对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。

机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。

对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。

好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。

当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。

第一，相机的信噪比不够;由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。

其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。

另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

鲁棒性：另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。

当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。

方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。

在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。

好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。

光源选择好了，剩下来的工作就容易多了!机器视觉应用关心的是反射光(除非使用背光)。

物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。

机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。

如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。

因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体表面的时候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

光源可预测：当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。

光源可能被吸收或被反射。

光可能被完全吸收(黑金属材料，表面难以照亮)或者被部分吸收(造成了颜色的变化及亮度的不同)。

不被吸收的光就会被反射，入射光
的角度等于反射光的角度，这个科学的定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的想定的效果可以通过控制光源而实现。

物体表面：如果光源按照可预测的方式传播，那么又是什么原因使机器视觉的光源设计如此的棘手呢?使机器视觉照明复杂化的是物体表面的变化造成的。

如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。

但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的物体表面，并分析光源入射的反映。

控制反射：本文前面提到了，如果反射光可以控制，图像就可以控制了。

这点再怎么强度也不为过。

因此在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。

机器视觉的光源设计就是对反射的研究。

在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先需要问自己这样的问题：“我如何才能让物体显现?”“我如何才能应用光源使必须的光反射到镜头中以获得物体外表?”影响反射效果的因素有：光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性。

光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。

光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。

预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。

表面纹理：物体表面可能高度反射(镜面反射)或者高度漫反射。

决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。

一个漫反射的表面，如一张不光滑的纸张，有着复杂的表面角度，用显微镜观看的时候显得很明亮，这是由于物体表面角度的变化而造成了光源照射到物体表面而被分散开了。

而一张光滑的的纸张有光滑的表面而减小了物体表面的角度。

光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

表面形状：一个球形表面反射光源的方式与平面物体不近相同。

物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。

对应一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射。

从不同角度照射可以减小光影。

光源均匀性：不均匀的光会造成不均匀的反射。

均匀关系到三个方面。

第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。

简单的说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。

不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。

从而造成物体表面反射不均匀(假设物体表面的对光的反射是相同的)。

均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。

光源技术的应用：光源技术是设计光源的几何
及位置以使图像有对比度。

光源会使那些感兴趣的并需要机器视觉分析的区域更加突出。

通过选择光源技术，应该关心物体使如何被照明及光源是如何反射及散射的。

光源的种类：
1.环形光源：
应用领域：
2.环形光源：
应用领域：
3.条形光源：
应用领域：4.背光源：
应用领域：5.无影光源
应用领域：
组合条形光源：应用领域：
6.点光源
应用领域：
光源的选择要素：谈谈光源选择的几个要素:
1.选择机器视觉光源的角度
低角度光源主要应用于暗视场检测,也就是被测物体表面大部分反光都不进摄像头，故背景呈黑色，只有物体高低不平之处的反光进入摄像头，比如金属表面划痕的检测，背景呈黑色，划痕呈白色高角度光源主要应用于明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测.漫反射角度光源主要是应用于表面形状不规则或发光表面的检测,它会补偿物体表面的角度变化,获得更均匀的图像.
低角度光源选择范围有:低角度环形光源,零角度环形光源,条形光源,组合条形光源,方形光源
高角度代表性光源有:高角度环形光源,90度环形光源,条形光源,同轴光源,组合条形光源等
漫反射代表性光源有:环形无影光源,圆顶无影光源,平面无影光源等
2.选择LED光源照射方向
机器视觉光源根据照射方向,可分为前向光照明,背向光照明,结构光照明,正向光照明是光源和相机位于被测物体的同一侧，其优点是便于安装,主要是体现物体的表面细节特征,背向光照明是将被测零件放在光源和相机之间,主要是体现物体的轮廓边缘信息,其优点是可以获得高对比度的图像,结构光照明是将光栅或结构光源投射到被测物上，根据结构光路，确定出三维信息。

前向光光源选择范围有:环形光源,无影光源,条形光源,同轴光源(大部份光源都是前向光照明)
背向光照明光源:背光源,平行背光源,同轴光源,条形光源,高亮平行光源
结构光照明:AOI光源
3.选择光源的颜色--波长越长，穿透力越强；波长越短，扩散性越好。

LED机器视觉光源中,红色用得最多，因为红色LED成本低,并且黑白CCD 芯片对660nm光线最敏感。

蓝色适合检测物体表面质量，因为波长短。

当然，紫外的散射性更好，因为波长更短。

而白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或着被测物体的颜色在变化的。

绿色的亮度很高，
且波长和蓝色接近，所以有时可用绿色代替蓝色。

红外用于半透明等的物体检测.考虑光源颜色和背景颜色，使用与被测物同色系的光会使图像变亮(如：红光使红色物体更亮)；使用与被测物相反色系的光会使图像变暗(如：红光使蓝色物体更暗)。

富爱其可定制特定波长光源:如紫外光源,红外光源,中远红外光源等
4.选择光源的尺寸
除了安装空间的限制,被检测物即视场的大小是选择光源尺寸的首要因素,一般考虑到整个视场的均匀性及在线检测的偏移量,光源能够均匀照射的范围要比被检测物视场大1/3左右富爱其可定制大尺寸机器视觉光源,如超长条形光源,大面积背光源,同轴光源等
5.选择光源的亮度
当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。

第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。

其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。

另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

特别是在高速机器视觉检测中,由于工业相机进光量少,对光源的亮度就提出了更高的要求.一般高亮度光源的解决方案有:采用大功率LED颗粒密集排布,加特殊光学透镜,利用频闪控制器瞬间提高电压来提高亮度.
富爱其在高亮度光源方面有特别的优势.特别是高亮背光源,采用了特殊的电路和散热设计,有3倍于普通背光源的亮度。