技術文章
機器人視覺係統照明方案
日期：2017-11-08
來源：J9九游会中国
機器視覺以機器代替人眼進行目標對象的識別、判斷和測量。在工業生產過程中，相對於傳統測量檢驗方法，機器視覺技術的最大優點是快速、準確、可靠與智能化。機器視覺對提高產品檢驗的一致性、產品生產的安全性、降低工人勞動強度以及實現企業的高效安全生產和自動化管理具有不可替代的作用。
隨著科學與技術的發展，工業機器人的應用領域也不斷擴大。目前，工業機器人不僅應用於傳統製造業如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也應用於核能、航空、航天、醫藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫療康複等服務業領域。機器視覺作為工業機器人一項核心技術，主要研究計算機模擬人的視覺功能進行目標對象的識別、判斷和測量。
機器視覺係統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源於目標圖像，目標圖像本身的質量對整個視覺係統極為關鍵。而光源則是影響機器視覺係統圖像水平的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。通過適當的光源照明優化，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高係統的定位、測量精度，使係統的可靠性和綜合性能得到提高。
而目前市場並沒有通用的機器視覺照明設備，現有的照明不能針對每個特定的應用實例，隻能通過對相應照明裝置的分析和優化，才能達到最佳的成像效果。機器視覺係統的光源的價值也正在於此。實現機器視覺係統光源照明的優化，能夠有效地提高圖像識別的質量和效果，提高工業機器人的工作效率。
1、機器視覺係統組成
典型的機器視覺係統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控製部分。主要部件由機器視覺光源，光學鏡頭，工業相機，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成的。
（1）光源
在目前的機器視覺應用係統中，優質光源與照明方案往往是整個係統成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應盡可能地產生明顯的區別。其中LED光源憑借其諸多的優點在現代機器視覺係統中得到越來越多的應用
（2）光學鏡頭
光學鏡頭相當於人眼的晶狀體，在機器視覺係統中非常重要。鏡頭的主要性能指標有焦距、光闌係數、倍率、接口等。
（3）相機
相機是機器視覺係統獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機和CCD相機。CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業領域都得到了廣泛地使用。
（4）圖像采集卡
在基於PC機的機器視覺係統中，圖像采集卡是控製攝像機拍照，完成圖像采集與數字化，協調整個係統的重要設備。
（5）視覺傳感器
傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控製與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內部程序存儲器可存儲圖像處理算法，並能使用PC機，利用專用組態軟件編製各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。
2、光源技術
光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應該影響成像的質量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個係統的分辨率，減輕後續圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機器視覺係統帶來很多麻煩，如攝像機的花點和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機器視覺中光源的分類主要以下幾種：
(1) 前光源
前光源是指放置在待測物前方的光源，這種光照方式稱為“前光式照明” 。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，其區別在於光源與被測物待測表麵的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表麵待測部分的機理。
(2) 背光源
背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置於待測物體背麵。通過背光源照射待測物體，相對攝像機形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎。它主要應用於被測對象的輪廓檢測、透明體的汙點缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導體引線框外觀和尺寸檢查等。
(3) 環形光源
環形光源能為待測物體提供大麵積均衡的照明。實際應用中，環形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環形光源的優點在於可直接安裝在鏡頭上，與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實現較大麵積照明。但應用距離不合適時會造成環形反光現象。
隨著科學與技術的發展，工業機器人的應用領域也不斷擴大。目前，工業機器人不僅應用於傳統製造業如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也應用於核能、航空、航天、醫藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫療康複等服務業領域。機器視覺作為工業機器人一項核心技術，主要研究計算機模擬人的視覺功能進行目標對象的識別、判斷和測量。
機器視覺係統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源於目標圖像，目標圖像本身的質量對整個視覺係統極為關鍵。而光源則是影響機器視覺係統圖像水平的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。通過適當的光源照明優化，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高係統的定位、測量精度，使係統的可靠性和綜合性能得到提高。
而目前市場並沒有通用的機器視覺照明設備，現有的照明不能針對每個特定的應用實例，隻能通過對相應照明裝置的分析和優化，才能達到最佳的成像效果。機器視覺係統的光源的價值也正在於此。實現機器視覺係統光源照明的優化，能夠有效地提高圖像識別的質量和效果，提高工業機器人的工作效率。
1、機器視覺係統組成
典型的機器視覺係統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控製部分。主要部件由機器視覺光源，光學鏡頭，工業相機，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成的。
（1）光源
在目前的機器視覺應用係統中，優質光源與照明方案往往是整個係統成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應盡可能地產生明顯的區別。其中LED光源憑借其諸多的優點在現代機器視覺係統中得到越來越多的應用
（2）光學鏡頭
光學鏡頭相當於人眼的晶狀體，在機器視覺係統中非常重要。鏡頭的主要性能指標有焦距、光闌係數、倍率、接口等。
（3）相機
相機是機器視覺係統獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機和CCD相機。CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業領域都得到了廣泛地使用。
（4）圖像采集卡
在基於PC機的機器視覺係統中，圖像采集卡是控製攝像機拍照，完成圖像采集與數字化，協調整個係統的重要設備。
（5）視覺傳感器
傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控製與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內部程序存儲器可存儲圖像處理算法，並能使用PC機，利用專用組態軟件編製各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。
2、光源技術
光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應該影響成像的質量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個係統的分辨率，減輕後續圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機器視覺係統帶來很多麻煩，如攝像機的花點和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機器視覺中光源的分類主要以下幾種：
(1) 前光源
前光源是指放置在待測物前方的光源，這種光照方式稱為“前光式照明” 。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，其區別在於光源與被測物待測表麵的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表麵待測部分的機理。
(2) 背光源
背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置於待測物體背麵。通過背光源照射待測物體，相對攝像機形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎。它主要應用於被測對象的輪廓檢測、透明體的汙點缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導體引線框外觀和尺寸檢查等。
(3) 環形光源
環形光源能為待測物體提供大麵積均衡的照明。實際應用中，環形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環形光源的優點在於可直接安裝在鏡頭上，與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實現較大麵積照明。但應用距離不合適時會造成環形反光現象。
