机器视觉光源选取经验以及镜头对比分析

视觉引导的运动：如果你的应用需要一个视觉系统来引导机器人，那么必须知道视觉系统与运动系统是如何集成的。对于校准和操作，没集成的运动系统与视觉系统是初步的系统，机械人或机构和视觉系统是分开校准的。在操作中，一台独立的视觉系统根据在视觉坐标系统中的已知位置计算出零件位置的偏移量，然后发指令给机器人的手臂在离初始化编程的拾取位置的偏移量处拾取零件。

由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于装配定位、产品质量检测、产品识别、产品尺寸测量等方面。

机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。使用机器视觉系统五个主要原因：

重复性——机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反，人眼每次检测产品时都会有细微的不同，即使产品时完全相同的。

精确性——由于人眼有物理条件的限制，在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品，机器仍然会更加精确，因为它的精度能够达到千分之一英寸。

速度机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时，比如说生产线上，机器能够提高生产效率。

客观性——人眼检测还有一个致命的缺陷，就是情绪带来的主观性，检测结果会随工人心情的好坏产生变化，而机器没有喜怒哀乐，检测的结果自然非常可观可靠。

成本——由于机器比人快，一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不需要停顿、不会生病、能够连续工作，所以能够极大的提高生产效率。

工业相机作为机器视觉系统中的核心部件，对于机器视觉系统的重要性是不言而喻的。按照分类的不同，相机又分为很多种：

1、彩色相机、黑白相机：
黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像；彩色相机能获得景物中红、绿、蓝三个分量的光信号，输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的图像信息。彩色相机的实现方法主要有两种，棱镜分光法和Bayer滤波法。棱镜分光彩色相机，利用光学透镜将入射光线的R、G、B分量分离，在三片传感器上分别将三种颜色的光信号转换成电信号，最后对输出的数字信号进行合成，得到彩色图像。

2、CCD相机、CMOS相机
芯片主要差异在于将光转换为电信号的方式。对于CCD传感器，光照射到像元上，像元产生电荷，电荷通过少量的输出电极传输并转化为电流、缓冲、信号输出。对于CMOS传感器，每个像元自己完成电荷到电压的转换，同时产生数字信号。

3、按靶面类型分类：面阵相机、线阵相机
相机不仅可以根据传感器技术进行区分，还可以根据传感器架构进行区分。有两种主要的传感器架构：面扫描和线扫描。面扫描相机通常用于输出直接在监视器上显示的场合。线扫描相机用于连续运动物体成像或需要连续的高分辨率成像的场合。线扫描相机的一个自然的应用是静止画面（Web InspecTIon）中要对连续产品进行成像，比如纺织、纸张、玻璃、钢板等。同时，线扫描相机同样适用于电子行业的非静止画面检测。像德国Kappa相机根据它CCD的规格也会有线阵、面阵之分。

4 按输出模式分类：模拟相机、数字相机
根据相机数据输出模式的不同分为模拟相机和数字相机，模拟相机输出模拟信号，数字相机输出数字信号。模拟相机和数字相机还可以进一步细分，比如德国Kappa相机按数据接口又包括：USB 2.0接口、EE 1394 a / Fire Wire、Camera Link 接口、千兆以太网接口。模拟相机分为逐行扫描和隔行扫描两种，隔行扫描相机又包含EIA、NTSC、CCIR、PAL等标准制式。有关接口技术的详细介绍请参考采集卡及采集技术部分。

在选择一款工业数字相机时，物体成像的速度必须充分考虑好。例如，假设在拍摄过程中，物体在曝光中没有移动，可用相对简单和便宜的工业相机；对于静止或缓慢移动的物体，面阵工业相机最适合于对静止或移动缓慢的物体成像。因为整个面阵区域必须一次曝光，在曝光时间当中任何的移动会导致图像的模糊，但是，运动模糊可以通过减少曝光时间或使用闪光灯来控制；对于快速移动的物体，当对运动的物体使用一个面阵工业相机时，需要考虑在曝光时间当中处于工业相机当中的运动对象数量，还需要考虑物体上能用一个像素表征的最小特征，也就是对象分辨率，在采集运动物体的图像的拇指规则就是曝光必须发生在采集物体移动量小于一个像素的时间内。如果你采集的物体是在以1厘米/秒的速度匀速移动，而且物体分辨率已经设置为1 pixel/mm，那么需要的最大曝光时间是1/10每秒。因为物体移动一个距离恰好等于相机传感器中的一个像素，当使用最大曝光时间时这里会有一定数量的模糊。在这种情况下，一般倾向于将曝光时间设置的比最大值要快，比如1/20每秒，就能保持物体在移动半个像素内成像。如果同样的物体以1厘米/秒的速度移动，物体分辨率为1 pixel/微米，那么一秒中所需要的最大曝光是1/10000.曝光设置的对快取决于所采用的相机，还有你是否能够给物体足够的光来获得一幅好的图像。

机器视觉在中国的发展已有十余个年头。过去十年是机器视觉产业在中国市场发展最快的十年，经过一定时期的普及与推广，机器视觉已逐渐为广大客户所熟知，而且应用范围，也逐渐开始扩大，大规模的应用领域由起初的电子、制药等行业，逐步扩展到包装、印刷等各大领域。

机器视觉市场在发展，机器视觉技术在进步，在以不断满足客户发展需求的同时，最基本需求的满足也是不容忽视的。一直以来，我国的科技水平都处于不断发展的阶段，机器视觉技术作为科技发展的产物，为了更好的适应行业需求，也在不断的优化升级。纵观行业发展，国内机器视觉市场机遇与挑战并存，而行业技术的升级更显得尤为必要了。为顺应行业发展趋势，国内的机器视觉技术就需要通过以下四大要素来升级。

一、系统操作简单方便
技术参数简单化、处理技术方便化，是系统操作最为关键也是核心的要素。机器视觉技术虽然属于高科技技术，在运作过程中，还需要依靠不断调整各种参数来达到最好的效果。但是目前来说，操作人员大都技术水平有限。因此，系统简化是大多数客户的较价格与质量之后的基本需求，而系统简化主要包括的是检测操作的简化与图像处理的简化。

二、系统长期可维护性
一个好的系统不仅要考虑使用性还应考虑其在长期运做中的可维护性，机器视觉技术的稳定性、可靠性足以使系统在实际应用中，更好的发挥功能优势，提供有力的技术支持。

三、检测技术稳定可靠
在工业生产过程中，由于被测物体的多样化以及机械的误差影响，使得整个检测过程很难是维持在平稳的状态。因此，这就需要机器视觉技术有很高的稳定性，从光源照明、图像采集到图像存储与处理都要有可以在任何环境下持续运作的适应能力，同时，还要尽量能采集到突出检测对象的图像，这样才能给出最为稳定、准确、清晰的检测结果，才能为生产或质检工作提供技术支持。

四、系统性价比值高
在保障质量的基础上，客户最为关心的莫过于价格问题。机器视觉技术不断升级本是件对客户有益的事，但如果只是一味的使用昂贵的部件，就会造成价格的大幅提升，对于大部分的用户来说，无疑增添了负担。性能好、价格低的系统才是能满足最基本需求的，因此性价比是衡量一个系统的重要标志，也是客户选择产品最重要的指标之一。

中国是世界的制造工厂，目前全球几乎所有的知名企业都把生产工厂放在中国，机器作业代替人员操作已成为市场优胜劣汰的必然选择。机器视觉产业在中国有着非常广阔而光明的前景，也使中国机器视觉市场成为全球机器视觉企业的竞争焦点，因此我们要抓住时机，不断引进各项高新技术，促进行业的快速发展。

在机器视觉系统中,获得一张高质量的可处理的图像是至关重要。系统之所以成功，首先要保证图像质量好，特征明显,。一个机器视觉项目之所以失败，大部分情况是由于图像质量不好，特征不明显引起的。要保证好的图像，必须要选择一个合适的光源。

光源选型基本要素： 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。

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。具体的光源选取方法还在于试验的实践经验:

1、环形光源
提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。应用于：PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查。

2、背光源
用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体。的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。应用于：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。

3、条形光源
较大方形结构被测物的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用于：金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。

4、同轴光源 光的一致性好

可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用于：系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。

5、AOI专用光源
不同角度的三色光照明，照射凸显焊锡三维信息；外加漫射板导光，减少反光；不同角度组合；应用于：电路板焊锡检测。

6、球积分光源
具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像的照度十分均匀。应用于：合于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。

7、线形光源
超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。:阵相机照明专用，AOI专用。

8、点光源
大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用于：适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、组合条形光源
四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。应用案例:CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。

10、对位光源
对位速度快；视场大；精度高；体积小，便于检测集成；亮度高，可选配辅助环形光源。是全自动电路板印刷机对位的专用光源。

镜头的选择过程，是将镜头各项参数逐步明确化的过程。作为成像器件，镜头通常与光源、相机一起构成一个完整的图像采集系统，因此镜头的选择受到整个系统要求的制约。一般地可以按以下几个方面来进行分析考虑。

一、波长、变焦与否
镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的，成像过程中需要改变放大倍率的应用，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头就可以了。
关于镜头的工作波长，常见的是可见光波段，也有其他波段的应用。是否需要另外采取滤光措施？单色光还是多色光？能否有效避开杂散光的影响？把这几个问题考虑清楚，综合衡量后再确定镜头的工作波长。

二、特殊要求优先考虑
结合实际的应用特点，可能会有特殊的要求，应该先予明确下来。例如是否有测量功能，是否需要使用远心镜头，成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视，但是它却是任何成像系统都必须考虑的。

三、工作距离、焦距
工作距离和焦距往往结合起来考虑。一般地，可以采用这个思路：先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离，进一步估算镜头的焦距。所以镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素尺寸）相关的。

四、像面大小和像质
所选镜头的像面大小要与相机感光面大小兼容，遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中，尤其应该重视畸变。

五、光圈和接口
镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中，最终的图像亮度是由很多因素共同决定的：光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。镜头的接口指它与相机的连接接口，它们两者需匹配，不能直接匹配就需考虑转接。

六、镜头的其它类别：
线阵镜头：配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像。线阵扫描成像的特点：CCD线阵方向的图像分辨率固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关。

从成像的角度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异。只是对镜头的使用方式不同而已。

显微镜头：为了看清目标的细节特征，显微镜头一般使用在高分辨率的场合。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。

远心镜头：物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，称之为物方远心光路。作用：可以消除物方由于调焦不准确带来的测量误差。

机器视觉光源是机器视觉系统中不可或缺的一部分，它的选择直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最理想的应用效果。

照明系统是机器视觉系统最为关键的部分之一，直接关系到系统的成败。好的打光设计能够使我们得到一幅好的图象，从而改善整个系统的分辨率，简化软件的运算，而不适合的照明，则会引起很多的问题。
1、照亮目标，提高亮度
2、用作测量的工具或参照物
3、克服环境光干扰，保证图象稳定性；
4、 形成有利于图象处理的效果；

机器视觉光源的选择

1、物体表面：如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。

2、控制反射：如果反射光可以控制，图像就可以控制。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，首先要弄清楚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？

3、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。

一幅好的图象具备以下条件：
1. 对比度明显，目标与背景的边界清晰
2. 背景尽量淡化而且均匀，不干扰图象处理；
3. 与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过度曝光。
4. 整体亮度均匀，整体不均匀灰度差不影响图象处理；

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成小型高清工业相机为有序的电信号。