一種塑料包裝類反光產品的視覺打光方法

王 紅

（東莞市李群自動化技術有限公司，廣東東莞 523808）

0 引言

視覺方案在自動化方案中占有非常重要的地位，類似設備的眼睛。各種場景只有看清楚了、識別清楚了，才能把有效和準確的信息告知自動化設備如機器人進行準確地操作。然而在食品領域的視覺方案中存在一個共性問題，即食品外包裝材料的反光屬性給視覺系統造成極大的干擾，輕者效率降低，嚴重者無法工作。針對塑料包裝材料在普通光源下的反光問題，有人提出增加偏振片的解決方式，這種方式對于抑制某個角度下的反光有明顯效果［1－2］，但是對于大視野、多角度場景處理效果不佳。其次也有人采用同軸光的方式處理表面凹凸不平造成的陰影，但因為視野有限，效果欠佳［3］。本文提出了一種基于球積分光源的解決方式，利用球積分光源的漫反射特性將光線均勻地打在待測物體表面，可以有效避免強光鏡面反射問題。

1 工作原理

按照光照方式光源分為直射光、漫射光、偏光和平行光［4］。如圖1 所示，直射光為同一個方向的光，光強度大，可以在亮色和暗色之間產生高對比的圖像，但是容易產生亮斑，特別是表面光滑的物體。漫射光是多種角度的光混合在一起，這種光射角寬、光線均勻、明亮度低、無光點和光斑。偏振光在垂直于傳播方向的平面內，光矢量只沿著某一個固定方向振動的光，通常是利用偏光板來阻止特定方向的反射［5］。平行光是照射角度一致的光，同軸光屬于平行光，主要用于小范圍內消除粗糙不平整表面產生的陰影。從相機的角度來分析，如圖2 所示，分為明視場和暗視場照明，明視場是用反射光來工作，有益形成高對比度畫面，但對于反光表面易形成鏡面反射。暗視場是用漫射光來觀察物體，漫射光被反射進入照相機但鏡面反射光線被反射離開，適用于反光物體表面觀察。根據如上分析，對于塑料包裝類易反光的物體表面，采用直射方式和明視場照明效果會變差，而采用漫射照射方式及暗視場照明方式最為合適，本文提出使用球積分光源，球積分光源是內壁涂有白色漫反射材料的空腔球體［6］，可以均勻反射從底部360° 發射出的光線，避免出現亮斑和反光［7－8］。

圖1 不同光照方式光線

圖2 明視場和暗視場照明

2 方案驗證及分析

方案驗證用月餅作為測試對象，如圖3 所示，視覺端需要識別每個月餅方向，由圖中可以看出，可用于識別方向的信息有字體和花瓣圖案，分別采用直射方式和漫射方式進行測試，對于直射方式選擇白色條形光源，因為其價格優勢及在工業界的廣泛性。漫射方式采用球積分光源，球積分光源是內壁涂有白色漫反射材料的空腔球體，用漫反射避免亮斑和反光，具體測試條件設置如表1～2 所示。

圖3 待識別方向的物體

表1 條形光源（2 條）設置條件

2.1 驗證結果

2.1.1 白色條光測試結果

因為月餅的包裝材料很具有代表性，故本文采用月餅作為測試對象。定義機器視覺端的識別率作為衡量打光效果的指標。月餅包裝可以識別的對象為花瓣圖案及品牌字體。把整個視場按照九宮格方式分割，測試每個位置上的識別率進而評估整個視野內的打光效果。圖4 所示為顯示的左、中、右3 排的識別情況，月餅表面有黃色箭頭表示識別成功，沒有黃色箭頭的表示未識別成功。

圖4 白色條形光直射下，左側三排、中間三排、右側三排測試效果

通過測試結果可以看出，白色條形光源直射下整個視場內光線分布不均勻，右側較亮且反光嚴重，視場邊緣出現明顯的亮斑，亮斑直接掩蓋了待識別圖案，造成識別失敗。實驗還證明當視場內月餅變多時，識別率會明顯降低，主要是光源不均勻加上月餅之間反光互相影響造成量多時識別率降低。通過大量測試，測算出條形光源表現比價穩定的區域如圖5 所示。只有內部區域識別效果比較好，相比較中心區域周邊區域效果很不樂觀，這個會直接降低自動化的效率。另外實驗測試發現，當物體表面光線不均勻時，機器視覺分析圖像的時間會增加，在中間位置機器視覺處理一張圖片從獲取到識別的時間大約為100 ms，在右側或者邊緣位置這個時間增加到130～140 ms，這個也是影響整體效率的一個方面。

圖5 白色條形光源識別效率分布

綜上可見，白色條形光的特點是直射的，光強度大，易形成高對比度的圖像，但直射在易反光物體上時，會形成強烈的鏡面反射現象，所以不適合塑料包裝產品的打光，驗證了設計之初的推測。

2.1.2 球積分光源測試結果

用月餅作為測試對象，測試流程包括打光、機器視覺識別、傳送帶跟蹤、機器人抓取。用機器視覺識別率作為檢驗打光效果的評判依據。如圖6 所示，球積分光源下，整個視野內光亮對比度變低，但光線均勻，不存在反光區域，也無亮斑出現，相機端畫面清晰。識別率測試數據如表3 所示，總計測試10次，每次80 個，識別率高于97%有6 次，等于95%的有3 次，低于95%的1 次。如圖7 所示，從第6 次開始，識別率存在下降的趨勢，第10 次最低，只有92.5%，這個是由于本批次月餅重復測試造成的，測試流程是機器視覺識別，傳送帶跟蹤及機器人抓取，在機器人抓取環節使用中空式海綿吸盤，因為吸盤氣流較大造成月餅表面褶皺，多次測試重復使用，褶皺變得嚴重，對于后面視覺識別造成影響。從數據整體來看，測試的實際效果與設計期望完全相符。另外圖6 中還可以看出視野范圍較白色條形光變小，可放置月餅個數白色光源下是9 個，球積分光源下只有2 個，這是球積分光源的短板之處，為了保證光的均勻性和避免其他光線的干擾，首先垂直距離上球積分光源要貼近被測物體，其次相機距離球積分光源頂端不能太高，因為安裝高度的限制導致視野范圍減小，使用中需要考慮。

圖6 球積分光源下視野內多個月餅有空隙、無空隙識別情況

表3 球積分光源打光下測試數據

圖7 10 次測試識別率數據分布

3 結束語

本文從塑料包裝類食品的機器視覺中的識別出發，提出了一個該類產品因為材料特性在機器視覺識別中面臨的一個共性問題即反光問題。針對此問題，首先分析了光照的幾種方式及每種方式的特點，然后分析了明視野照明和暗視野照明的優劣之處，通過分析得出對于塑料包裝材料的識別宜采用漫射照射或者暗視野方式照明。為了驗證上述方法，分別采用代表直射方式的白色條形光和代表漫射方式的球積分光源進行對比驗證，驗證對象為月餅，通過大量實驗證明，白色條形光下，整個視野光線不均勻，特別是邊緣地區，亮斑和反光明顯，對識別效果影響明顯，相比之下球積分光源下，整個視場光線均勻，在沒有高低對比度區域，相機端成像畫面清晰，沒有亮斑和反光，識別率通過10組測試驗證，每組80個月餅，最低識別率92.5%，最高識別率98.75%，且有6 組在97.5%以上，實驗證明球積分光源可以有效抑制塑料材料的反光和亮斑。此外，球積分光源的視野范圍受到光源和相機安裝高度的限制相比白色直射光源變小，需要在使用中綜合考慮。綜上，本文提出的方法可以有效解決塑料食品包裝機器視覺識別時遇到的反光問題。