機器視覺照明光源技術要點分析

陳志特

（東莞科視自動化科技有限公司，廣東 東莞 523000）

用機器來代替人眼對相關事物進行的測量和判斷就是機器視覺。機器視覺系統可以將相關事物通過相應的視覺產品轉換成相應的圖像信號，并用圖像處理系統對其進行處理，以實現對相關設備的有效控制。

1 機器視覺照明光源系統概述

機器視覺系統對圖片的處理需要依賴圖片處理系統，而圖片處理系統的運行狀況可能會受到實際運用中各種因素的影響，如視覺對象周圍光線的變化以及對象的材質和位置等。機器視覺系統能否高效運行的重要依據是否為其配備良好的光源和照明方案。而優秀的照明光源方案不僅能夠對物品的主測量面進行有效的突出，還能在物體的重要和不重要部分之間進行一個對比強烈的區分。

在20 世紀90年代以后，一些研究圖像處理的公司相繼出現，圖像處理方面的產品也逐漸面世，但產品還存在著很多方面的問題，很多企業在這些設備的應用上也沒有相應的概念。不同的光源設備有其自身的特點和優勢，也有其適應的相關領域。在這些種類多樣的照明光源當中，LED 光源因其使用壽命長和高穩定性得到了普遍的認可，在照明光源領域的地位越來越重要。

2 機器視覺照明光源及LED 光源

照明光源對整個機器視覺系統有著重要的影響。照明光源的類型主要包括以下幾種類型：白熾光源、熒光光源、LED 光源、閃光光源、X 射線光源。目前，LED 光源最為常用，而且已在機器視覺光源領域占主導地位，已成為機器視覺的首選光源。

LED 光源是新的光源類型，以其特有的特點能夠取代很多類型的傳統光源。LED 光源有著不同的顏色和多樣化的形狀、材質、亮度。LED 光源的特點和優勢主要包括：（1）LED 光源可以高頻率操作，響應速度快，且耗電量非常低，僅是白熾光源的萬分之一。（2）LED 光源可以使用低壓電源，相比使用高壓電源的光源就安全多了。（3）LED 光源在散熱設計良好的情況下可以使用10萬小時，有著很長的使用壽命。（4）LED 光源的單元體積很小，使用得LED 光源結構設計更加靈活。（5）LED 光源能夠對光線進行高效的管控，有著較強的方向性，大大提高了其照明效果。（6）LED 光源是綠色光源，可回收，無污染，且其顏色能夠多變。

LED 光源以其特有的優點被廣泛應用于社會生產各領域中。在機器視覺領域中的應用種類非常的多，主要有均勻背光源、條形光源、環形光源、同軸光源、高亮線型光源等等。

3 機器視覺照明技術

機器視覺照明的主要目標是選擇合適的光源以某種方式將光線投射到被測物體上，突出被測特征部分與背景的對比度。好的照明能夠改善整個系統的分辨率，簡化軟件的運算，提高系統精度與穩定性；不適合的照明，則會引起很多問題，比如花點、眩光、曝光過度會隱藏許多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；而信噪比過低、均勻性不夠導致圖像閾值選擇困難，系統穩定性下降等等。

怎樣才能選擇到一個最佳的照明方案呢？ 需要考慮很多因素，比如光源的類型、光源的顏色、光的強度等，還有工作距離、物體大小、發光器件、源控制方式等都需要考慮。

從以往的經驗中來看，對于每種不同的檢測樣品，通常需要采用不同的照明方式才能得到理想的特征，甚至有時需要采用組合光源的方式才能得到理想的特征，因此除了必須的理論知識外，平時的經驗積累也是相當的重要的。

機器視覺照明技術主要分為以下幾類：

（1）前向照明技術。前向照明技術是將照明光源系統放置在相機和被測量物體的前面，以對物體的表面情況和相應細節做一個清晰的探照，看是否存在缺陷、劃痕等問題。前向照明光源主要有條形光源，環形光源、點光源、線型光源、四面可調光源等。通常用于平面和有表面紋理的表面檢查，根據使用的安裝位置，可分為高角度照明和低角度照明。

（2）背向照明技術。將照明光源放在被測量物體的后面，而將相機放在被測量物體的前面，這種照明光源技術就是背向照明。背向照明光源主要有均勻背光源、平行背光源和同軸光源。這種背面照射技術，用來形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內部。這是一種與其他方式不同的照明方式，其是以光源高亮作為背景，而以目標黑暗為特征的照明方式。優點是邊緣特別突出；缺點是觀察不到表面細節。

（3）結構光照明技術。結構光照明技術是將光線以一定結構投影到被照物體上以實現所需要照明的一種技術。主要應用于大面積需要均勻照明的物體。結構光照明光源主要有圓頂光源、四面無影光源等。優點是可以得到較均勻的照明方式；缺點是無論是單個或多個光源，其體積都比較大。

近十年來，在機器視覺行業中已經形成了一系列的標準光源，比如條形光源、環形光源、同軸光源等等。在機器視覺光源的設計中，重點需要考慮均勻性設計、強度設計、散熱設計，電壓電流設計。其中散熱設計和電壓電流設計是影響視覺光源產品質量的核心要素。

4 結語

作為一項形成近十年的新型的技術，照明光源技術已經被應用到很多領域，其應用前景仍然非常廣闊。在不斷的發展和應用過程中，照明光源技術的關鍵作用已經逐漸顯現出來，對整個機器視覺系統的發展乃至應用機器視覺技術的各個領域都產生了重要的影響，照明光源技術在未來的發展中一定能得到更加多元的應用。

[1]張巧芬，高健.機器視覺中照明技術的研究進展[J].照明工程學報，2011（2）：31-36