機器視覺系統的核心是圖像的采集和處理。

所有信息均來源于圖像，圖像的質量對整個視覺系統極為關鍵。

一幅好的圖像可以提高整個系統的穩定性，從而大大降低圖像處理算法的難度，同時提高系統的精度和可靠性。

一幅好的圖像應該具備如下條件：

?對比度：對比度明顯，目標與背景的邊界對比清晰，要求目標與背景灰度值至少相差30以上；

?均勻性：要求圖片整體亮度均勻，或整體不均勻但灰度差不影響圖像處理；

?真實性：與顏色有關的還需要顏色真實，亮度適中，不過度曝光，過度像素滿足精度檢測要求；

?干擾性：背景盡量淡化。

而光源是影響機器視覺系統圖像質量的重要因素，它直接影響輸入數據的質量，所以在整個機器視覺系統中，光源有著關鍵性的作用。

由于目前尚沒有一個通用的機器視覺照明設備，因此針對每個特定的案例，設計合適的照明裝置，以達到最佳效果。

常見的視覺光源

機器視覺常用的一些光源主要有：LED燈、光纖鹵素燈、氙燈、高頻熒光燈等。

01

LED燈

壽命約30000-100000小時；

優點：可以使用多個LED達到高亮度，同時可組合不同的形狀，響應速度快，波長可以根據用途選擇。

02

光纖鹵素燈

使用壽命約1000小時左右；

優點：亮度高；

缺點：影響速度慢，幾乎沒有光亮度和色溫的變化。

03

氙燈

使用壽命約1000小時左右；

優點：亮度高，色溫與日光接近；

缺點：響應速度慢，發熱量大，壽命短、工作電流大、供電安全要求嚴格、易碎。

04

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。

各種視覺打光方式

背光照明方式

1、漫射背光源貫穿透射

結構描述：漫射背光源置于待測工件正下方，攝像系統垂直于工件和光源進行拍照。

主要應用：存在性檢測、計數、薄片邊緣檢測、透明體表面和內部不透明異物或臟污檢測、透明體和半透明體突變型和部分漸變缺陷、鏤空打標檢測等。

優點：結構簡單，整體價格較低，尺寸檢測效果穩定可靠。一般情況下圖像只有黑白兩種區域，便于處理。相機正對光源拍攝，亮度容易滿足。

缺點：大部分在線檢測項目不方便使用；多層交疊不透明體會互相干擾；有一定厚度，帶倒角、圓角的物體或者圓柱體尺寸測量容易出現邊緣發虛現象，結果會有偏差，如果測量精度要求很高，則可靠性不高。

應用技巧：光源面積夠用即可，面積過大會影響邊緣效果；光源距離工件遠一些，效果會在一定程度上改善；使用物方遠心鏡頭，可以提高穩定性；圖像亮度不宜過曝，通常最亮部分的灰度值不大于220。

2、平行背光源貫穿透射

結構描述：平行背光源置于待測工件正下方，攝像系統垂直于工件和光源進行拍照。

主要應用：產品邊緣形狀導致的不適合使用漫射背光源的精確邊緣檢測、定位和尺寸測量等項目。

優點：光線平行性好，圖像效果極佳，測量精度高，準確穩定。

缺點：光源本身結構復雜，成本高、對其他配套硬件要求也比較高（例如需配合遠心鏡頭使用等）、安裝調試要求高。

應用技巧：光源與鏡頭必須調同軸，如果對不準，效果很差，一旦對準，效果極好。調好后穩妥固定，以免使用過程中由于震動或不對稱外力長期影響而錯位。

漫射光方向比較散亂，被瓶身折射后依然是雜散光，整體上比較均勻，瓶子輪廓與背景對比不明顯。

平行光照射情況下，邊緣區域將光線折射到鏡頭入瞳之外的區域，顯示為黑色，與背景對比很明顯。

使用漫射背光測量，由于側部光線被反射進入鏡頭，會出現上圖所示的“發虛”現象，過渡像素較多，無法滿足高精度測量要求，影響測量的精度。

使用同樣大小的平行背光測量，全部光線方向統一，圖像邊緣很銳利，像素過度減少。同時配合遠心鏡頭使用，可以提高成像穩定性和精度，也可進一步減少環境雜散光的干擾。

前光照明方式

1、低角度直射光應用

結構描述：低角度照射，表面平整部位反光無法進入鏡頭，圖像亮度較低；不平整部位反光進入鏡頭，圖像亮度較高。

主要應用：表面劃傷檢測，打標字符檢測與識別，表面異物檢測，邊緣尺寸測量，定位，倒角測量，沖壓，澆鑄字符圖案檢測與識別等項目。

優點：便于安裝、效果穩定。

缺點：透明物質、表面劃傷邊緣起毛的效果不明顯，有些情況下現場要求光源必須處于一定高度之上，影響效果。

常用光源：條形光、線形光、低角度環形光等。

低角度光源照射，圖像背景為黑色，即暗場照明，可以顯現物體邊緣倒角等45~60°的坡度信息，表面比較雜亂的碰傷、劃傷、雕刻特征也可以顯示出來。

2、高角度直射光應用

結構描述：高角度照射，表面平整部位反光比較容易進入鏡頭，圖像亮度較高；不平整部位反光雜亂，部分光線進入不到鏡頭，圖像亮度較低。

主要應用：表面細微劃傷檢測，打標字符檢測與識別，表面異物檢測，邊緣尺寸測量，定位，沖壓，澆鑄字符圖案監測與識別等項目。

優點：效果明顯，細節清晰。

缺點：均勻性調節有一定難度。

常用光源：高角度環形光、條形光、面光源、同軸光、點光。

高角度光源照射，圖像背景為白色，即明場照射，可以顯現物體表面平整區域的輪廓特征，表面比較雜亂的劃傷、階梯等特征也可以顯示出來，表面粗糙程度不同或光反射率不同的區域也會有明顯差異。

折射光應用

結構描述：光源置于待檢物體下方或者一側，直射光線經平整表面垂直射入工件并從另一側射出。在平整表面部分，透射光線沿著與入射光線一致的方向射出，不平整表面部分的透射光線則遵循折射定律與入射光線的方向出現偏移；此時鏡頭主軸垂直工件表面，平整部分將在圖像中呈現為亮背景特征，而不平整部分則相反，將在明亮背景上呈現為暗特征。

主要應用：透明物體表面細微劃傷檢測、形狀圖案識別與檢測、物體表面平整度與厚度均勻性檢測等。

優點：效果明顯，細節清晰，穩定性好。

缺點：有些情況下，結構安裝不方便。

常用光源：面光源、點陣光源、帶透明圖層面光源等。

散射光應用

直射光從檢測目標單側照射，光線照射到微觀粗糙結構時發生散射，沒有散射的區域為暗場，在圖像中亮度比較低，發生散射的區域亮度比較高。

應用技巧：保證透射性能良好的情況下，盡可能選擇波長比較短的光源。

主要應用：玻璃、塑料等透明物體細微劃傷檢測、表面激光雕刻字符識別與檢測、透明薄膜邊緣定位測量等項目。

優點：效果明顯，細節清晰。

難點：有些情況下，要求檢測有效距離比較遠，對光源亮度要求比較高。常用光源：線形光、條形光、點光等（大多數情況下需特制光源）。

顏色過濾與加強

與物體表面自然色相同或相近顏色的光照射到物體上之后，反射率比較高；對比色照射，則反射率較低。利用這一原理，可以實現加強圖像效果、過濾背景干擾的目的。

右圖為啤酒瓶蓋子，檢測目標是上面的噴碼，每種蓋子會有不同的背景色和圖樣，如第一幅所示，第二幅和第三幅所使用蓋子為藍色和綠色背景。選擇和背景顏色一致的光源照射，即可獲得圖中的效果，背景被過濾掉或者大幅削弱，字符檢測和識別不再受干擾。

如何選擇/設計視覺光源照明方案

1、基本思路

光照射到物體表面之后，會發生一系列光學現象，主要包括鏡面反射、漫反射、表面散射、折射、背散射、透射、背反射、色散等。還有一部分光被物體吸收，各種情況發生的條件由物體表面的形狀、微觀結構、顏色、化學成分等客觀條件決定。

不同的表面發生各種光學現象的差異很大，例如鍍膜良好的鏡子表面，光照射之后幾乎全部被反射，也就是鏡面反射占了最主要的成分；光線接近垂直照射到玻璃上之后，幾乎全部穿透，從另一面發射出去，這種情況下透射占了最主要的成分；黑色粗糙表面，基本沒有光反射或者透射，幾乎全部光會被吸收掉。

除此之外，光學效果還取決于光源的發光方式和照射方式，例如漫射光均勻照射可以消除物體表面不平整造成的差異。而平行光照射則恰好相反，能夠突出物體表面不平整的特征。

因此想得到預期效果，需要選擇合適的光源和恰當的照射方式。

2、選光源的一般過程

?了解項目需求，明確要檢測或者測量的目標；

?分析目標與背景的區別，找出兩者之間成像差異最大的光學現象；

?根據光源與目標之間的配合關系，初步確定光源的發光類型及顏色；

?拿實際光源測試，以確定滿足要求的打光方式；

?根據具體情況，確定適用客戶的產品。