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机器视觉中的光源照明技术

在机器视觉的实际应用中,大多数应用领域都需要使用由光源提供的灯光照明来提高图像的亮度和对比度。同时,光源并不仅仅是为照亮物体而设计的,在机器视觉系统中,光源和照明方案的好坏往往会决定整个系统的成败。大多数机器视觉系统的第一步可能是二值化,它将图像中的被测物体(前景)和背景二值化为1和0,1代表前景,0代表背景。好的光照系统会极大地突出物体和背景之间的差异,从而大大简化了图像分割的算法;提高物体边缘与背景之间的陡峭变化,从而提高了对物体的测量精度。设计不当的照明会使整个图像的光照不均匀,从而给二值化带来困难;会产生阴影或者过曝光,从而丢失图像的重要细节;会增加图像传感器转换图像的噪音,从而加大图像处理的难度和降低测量的精度等。所以首先对机器视觉系统的光源进行精心的设计是极其重要的。

不同的机器视觉系统的照明设计总是不一样的,这是因为影响照明方案的因素非常多。例如光的强度、颜色、均匀性、光源的结构、大小、照射方式以及被测物体的光学特性、距离、物体大小、背景特性等。当然,物体本身的特性、工作环境情况等是最重要的因素。

照明设计涉及三个主要方面:光源的种类和特性、目标及其背景的光反射和传送特性、光源的结构。最佳光源和照明方式的选择需要理论知识,但实践经验以及反复的大量试验也很重要。

表1列出了主要几种光源的相关特性。

光源

颜色

寿命(小时)

发光亮度

特点

卤素灯

白色,偏黄

5000-7000

很亮

发热多,较便宜

荧光灯

白色,偏绿

5000-7000

较便宜

LED灯

红,黄,绿,白,蓝

60000-100000

较亮

发热少,固体,能做成很多形状

氙灯

白色,偏蓝

3000-7000

发热多,持续光

电致发光管

由发光频率决定

5000-7000

较亮

发热少,较便宜

表1  各种光源对比

其中LED光源凭借其诸多的优点在现代机器视觉系统中得到越来越多的应用。其主要优点有:
•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。

LED光源有红、绿、蓝、白四大类。红色最常用,红色波段的光线对CCD最敏感,穿透能力强;蓝光的对物体表面扩散能力强,即对表面凹凸敏感,适合表面质量的检测;绿光的亮度高,同时也适合特殊颜色物体的检测,如照到绿色被测物体上,可以让背景呈白色;白色为中性颜色,适合拍彩色图片,或着拍黑白图片,但被测物体有多种颜色。另外,还有红外和紫外光源。当然,红外的穿透能力最强,所以有人用红外摄像头“偷拍”;紫外对物体表面的细微特征都能够反映出来,如刑侦照片就是如此。