机器视觉与视觉光源解析

机器视觉——光源篇收藏一、为什么要使用光源•目的将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像•地位机器视觉三大技术（采像技术，处理技术，运动控制技术）之一•重要性直接影响系统的成败，处理精度和速度二、光源的种类•理想的光源应该是明亮，均匀，稳定的•视觉系统使用的光源主要有三种高频荧光灯光纤卤素灯LED（发光二极管）照明•高频荧光灯使用寿命约1500－3000小时优点：扩散性好、适合大面积均匀照射缺点：响应速度慢，亮度较暗•光纤卤素灯使用寿命约1000小时优点：亮度高缺点：响应速度慢，几乎没有光亮度和色温的变化•LED灯使用寿命约10000－30000小时可以使用多个LED达到高亮度，同时可组合不同的形状响应速度快，波长可以根据用途选择三、LED光源的优势•可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；•可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；•通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；•使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）；•反应快捷，可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度；•电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；•运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势；•可根据客户的需要，进行特殊设计。

四、LED光源的颜色•主要颜色红色蓝色绿色白色•其他颜色橙色红外紫外五、照明技术的基础知识1、照射光的种类(1)直射光主要来自于一个方向的光，可以在亮色和暗色阴影之间产生相对高的对比度图像。

(2)漫射光（扩散光）各种角度的光源混合在一起的光。

日常的生活用光几乎都是扩散光。

(3)偏振光在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动的光。

通常是利用偏光板（片）来防止特定方向的反射。

(4)平行光照射角度一致的光。

太阳光就是平行光。

发光角度越窄的LED直射光越接近平行光。

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。

机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括分类：机器视觉2013-08-19 10:52 1133人阅读评论(0) 收藏举报机器视觉工业相机光源镜头1.1.1视觉系统原理描述机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

2.1.1视觉系统组成部分视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备2.1.1.1相机篇详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（ChargeCoupled Device）或CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor）芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

1. 人眼可见的光谱范围:380n2. 光源的作用：获得对比度鲜3. 图像质量的好坏取决于：1） 将感兴趣2） 尽量消除3） 提高信噪4） 减少因4．LED 光源颜色选择的依据就是不同波长的光源。

5．LED 光源可以分为2大类6．正面照明用于检测 物体的纯净度；7．正面光源按照光源结构可以8．环形灯用得最多，包括9．直射环形，适合 不反光物10．Dome 灯，也算漫反射的阴影。

主要用于检测球型或曲11．看图写出光源内型380nm-780nm 之间；比度鲜明的图像； ：图像边缘是否锐利；具体来说有以下四点：感兴趣的部分和其它部分的感兴趣的部分和其它部分的灰度值差异加大灰度值差异加大； 量消除不感兴趣的部分； 高信噪比高信噪比，，利于图像处理； 少因少因照射照射照射角度角度角度，，材质对图像的影响；依据：根据不同检测物体的表面特征和材质根据不同检测物体的表面特征和材质，，选用不大类：一类是正面照明，一类是背面照明； 物体的表面特征；背面照明用于 检测物体的轮廓 可以分为，环形灯、条形灯条形灯、、同轴灯 和 方形灯直射环形，漫反射环形, Dome 灯 等； 反光物体 的检测；漫反射环形，适合 反光物体 反射的一种，但它是通过 半球型的内壁 多次反射型或曲面物体。

本图是： 直射环形(垂直照选用不同的颜色选用不同的颜色，，也或者 通明物体的形灯。

检测 反射，可以完全消除垂直照射)本图是：带角度环形本图是：低角度环形环形水平照射环形本图是：水平照射本图是：直射漫反射漫反射本图是：低角度低角度漫反射本图是：同轴光灯本图是：背光照明12．直接照射环形按照射角度分，有直射环形(垂直照射), 带角度环形, 低角度环形和水平照射环形等。

可以理解就是：每个LED的光轴和环形灯外壳之间（其实就是与水平面）的夹角，依次为0°，20°，60°, 90°(具体情况可能会稍有变化)。

不同的角度适合不同的检测要求。

浅谈机器视觉的光源1.机器视觉中光源的作用A．照亮目标，提高亮度；B．形成有利于图像处理的效果；C．克服环境光干扰，保证图像稳定性；D．用作测量的工具或参照物。

光源是机器视觉系统最为关键的部分之一。

好的光源能够输出一幅好的图像，从而改善整个系统的分辨率，简化软件的运算。

通过合适的光源设计可以使图像中的目标信息与背景信息最佳分离，从而大大降低图像处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性。

目前，还没有一个通用的机器视觉照明设备，因此针对每个特定的案例，都要设计合适的照明装置，以达到最佳效果。

一幅好的图像应该具备如下条件：A．对比度明显,目标与背景的边界清晰；B．背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理；C．与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过度曝光。

图1如图1所示，上排三幅为图像效果比较差的示例，对比度差将导致目标很难与背景分离，均匀性差会导致很难找到一个全局的灰度判别标准，一致性差会导致目标提取不完整等问题，下排三幅图分别为对比度、均匀性、一致性比较好的情况，这样的效果图像处理和信息提取都将会很简单、很稳定。

2.常见的视觉光源能够发光的物体称为光源，目前所采用的光源分为两大类：自然光源和人造光源。

天然光源主要是指日光，其次还包括星光等，能够有效利用的主要是日光，星光只能用作导航的参照物；早期的人造光源主要是燃烧燃料的一些灯具，例如蜡烛、油灯或者燃烧木材和煤炭等；各种电力驱动的光源是近现代出现的，其种类有很多，例如：热辐射类(白炽灯、卤钨灯)、高低压气体放电灯类(高压汞灯、钠灯)、荧光灯和电致发光的固态光源(发光板、发光二极管)等。

机器视觉常用的一些光源主要有：氙灯、高频荧光灯、光纤卤素灯、发光二极管等。

图2：常见机器视觉光源的对比LED光源的优势:（1）可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；（2）可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；（3）通过散热装置使散热效果更好，光亮度更稳定；（4）使用寿命长；（5）反应快捷，可在10us或更短的时间内达到最大亮度；（6）电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯;（7）运行成本低;（8）可根据客户的需要，进行特殊设计。

【机器视觉】机器视觉光源详解...00. 目录文章目录•o00. 目录o01. 自然光介绍o02. 光的颜色介绍o03. 机器视觉光源o▪ 3.1 环形光源▪ 3.2 条形光源(常规型)▪ 3.3 条形光源(非标型)▪ 3.4 条形组合光源▪ 3.5 高亮高均条形光源▪ 3.6 面光源(背光源)▪ 3.7 平行面光源▪ 3.8 开孔面光源▪ 3.9 侧面道光背光源▪ 3.10 同轴光源▪ 3.11 直角同轴光源▪ 3.12 高亮高均同轴光源▪ 3.13 同轴平行光源▪ 3.14 线性光源▪ 3.15 圆顶光源▪ 3.16 隧道光源o04. 附录01. 自然光介绍在生活中，光主要来自于太阳光，而太阳光的辐射也是最为全面的，虽然太阳光看起来是没有颜色的，但是太阳光的组合成分却是最为复杂，即太阳光是复合光线，接下来介绍下太阳光的组合成分；太阳光主要分为两部分：不可见光，可见光；不可见光主要分为红外区域的不可见光和紫外区域的不可见光：可见光主要是波长为760nm~380nm 的光，而这部分光可以通过对太阳光使用三棱镜色散获取到；在表现不同的可见光中，不同波长的光线呈现不同的颜色，即波长决定特定颜色的特征；在日常生活中，太阳光/白光包含多种颜色波段的光，而这种白光可以通过三棱镜进行分解，这些我们在初级物理中即可了解到；机器视觉光源主要用到的是可见光、部分红外光、部分紫外光；02. 光的颜色介绍机器视觉中光的颜色介绍（1）白色光：机器视觉中白色光分为冷、暖、中间色调颜色，通常在拍摄彩色图像时使用此类光源效果较好，如果对于彩色图像中某一部分有特殊需求，可以另做相关操作；（2）蓝光：三原色光中的其中一种，比较适用于银色背景下的目标物的打光；（3）红光：同属于三原色光中的一种，可以透过一些比较暗的物体，也可以根据颜色的吸收等不同的方法，实现不同打光效果，突出检测目标的特征，并且红色光源能够提高对比度；（4）绿光：主要针对于红色背景、银色背景，并且在3C 应用中，传送带多数为绿色；（5）红外光：属于不可见光之一，透过力强，对于塑料穿透性好，可以将封装好的金属电路等内部元件显示出来，在此种应用场景下，效果和 X 射线一样好，且对于人体无伤害；（6）紫外光：属于不可见光之一，波长较短，且穿透力强，主要应用于证件检测，触摸屏ITO 检测，点胶溢胶检测，金属表面划痕检测等；（7）X-ray 激光：波长短，穿透性好，可以用于透视检测、轮毂划痕及裂纹检测等；可见光的三原色光的三原色包括R 、G 、B （红、绿、蓝）三种颜色的光，生活中以及工业视觉中不同颜色的光均可以通过以上三种光进行合成；如下：红 + 绿 = 黄红 + 蓝 = 青红 + 绿 + 蓝 = 白且红、绿、蓝三种颜色均不能被再次分解，适用这三种颜色基本可以形成所有的颜色；如下示例图像所示的加色规律：根据光的颜色以及光的冷暖，可以将不同颜色形成一个色环，如下图所示，相邻的颜色是相似色，相对颜色是相对色；机器视觉系统中光源的作用1.强化特征，弱化背景2.突出测量特征3.提高图像信息4.简化算法5.减低系统设计的复杂度6.提高系统的检查精度、速度03. 机器视觉光源3.1 环形光源机器视觉光源工业照明检测LED光源环形光源产品描述环形光源采用高柔性基板材质，独特的制作方法，可以任意角度弯曲，以构成具有最佳外径、内径和照射角度的照明系统。

光源基础知识使目标上的感兴趣区域与其它区域有尽可能大的区别。

在确定了光源和照明方式后，设计照明系统最后一步也是最重要的一步就是实验。

在现实世界中，目标表面特性并非单一，光源与目标物体的相互作用往往是各种现象的组合，有些难以用理论做出准确的描述。

通过实验可以验证设计的正确性，同时在实验中，改变影响图像的因素，如：目标在视场中的位置及相对于光源的角度，光源的亮度等，可以进一步验证系统的可靠性和稳定性。

总之，设计光源系统，最终目的是：最大程度地增强感兴趣特征的对比度，抑制和减少目标上其它部分的影响，抑制外部环境的影响。

下面简单介绍机器视觉照明技术中的一些基本概念。

光源能够实现照明的光源有许多种类型，但在机器视觉中，应用最多的是卤素灯、荧光灯和LED灯。

近些年来，LED技术发展很快，加上其固有的一些特点，如：寿命长、亮度稳定、可构成不同形状和光谱、可频闪和功耗低等，逐渐在机器视觉使用的光源中占主导地位。

当然，在色彩检测中，荧光灯以其色还原性好的特点仍有大量应用，在高亮度应用场合，卤素灯还有自己的优势。

亮场照明和暗场照明亮场照明和暗场照明描述光源和摄像机的相对位置，是机器视觉照明技术中常见术语之一。

在摄像机垂直于被检测目标的情况下，亮场照明和暗场照明的定义是：假设检测目标具有平坦、光滑的表面（镜面），摄像机处置放在目标中心的上方，由图可见，在“W”二个“V”内发出的光，经目标表面反射，全部落在镜头的范围内，称作亮场照明；而从在“W”二个“V”外发出的光，经目标表面反射，没有光线落入镜头的范围内，称作暗场照明。

当目标表面有缺陷时，如：等，亮场照明，缺陷部位的反射光不再落入镜头的范围，形成低灰度值区，与背景产生反差；暗场照明正好相反，缺陷部位的反射光进入镜头，产生高灰度值区。

亮场照明和暗场照明的概念还可以推广到摄像机不是和目标表面垂直的场合，如图所示：前照明和背光照明前照明和背光照明是描述摄像机、光源和被检测目标相对位置的。