机器视觉与照明

就像在房地产中，成功投资的关键是位置，位置，位置，位置，在机器视觉中价值(等于成功)的关键是照明!照明!照明!重要的是，成功照明的关键是照明的位置!机器视觉成功的主要原因是消除了外观变量和一致的外观，适当的，应用特定的光照产生。在机器视觉发展的早期，许多具有创业精神的研究人员表示，“我们只需要一张图像，我们的图像处理和分析算法将适用于你的应用。”与此不同的是，今天幸存下来的公司承认光照和场景一致性的重要性。

今天，由于该行业在应用机器视觉方面已经有超过30年的经验，许多“罐头”照明安排已经开发出来，适用于在一个或另一个制造行业广泛部署的许多应用程序。然而，对于许多应用，人们仍然必须了解应用，外观变量，几何，表面问题，镜面问题，位置变量，等等，以及光源(白炽灯，荧光灯，石英卤素，HID，氙气，LED等)和照明安排(背面，侧面，正面，结构，等)和照明几何(点，漫反射，准直等)，以优化照明，以实现图像的一致性。

这篇文章不是“机器视觉应用照明理论基础”的文章。人们可以在各种已经发表的文章中找到这些基本原理，如Marcel Dekker出版的《理解和应用机器视觉》一书，以及各种会议论坛，甚至照明供应商的目录。相反，本文以圆桌形式，基于一些主要机器视觉应用照明供应商的观点。对本文作出贡献的有:

• 哈伦·霍顿和约翰·默瓦-高级照明
• Jim O'Hanley - CCS America
• Mike Muehlemann - 照明技术
• 彼得·尼德泽尔斯基和保罗·卡拉祖巴-珀金·埃尔默光电
• 乔·史密斯-肖特-福斯特克
• Luc很多和Alain Beauregard - Stockeryale

1.你将如何分割机器视觉中使用的照明技术?

大多数人回答说，照明技术按照明类型划分:白炽灯、荧光灯、LED、石英卤素灯和其他卤素灯、激光、

Alain Beauregard提出了一种依赖于应用程序的分割——2D vs. 3D和Mike Muehleman区分了2D应用程序的照明和1D应用程序的照明，比如网络扫描。彼得·尼德泽尔斯基提出了连续的和脉冲的广泛分类。

2.你将如何分割机器视觉中使用的照明技术?

Mike总结了大多数人的观点，“简单地说，我们希望按照以下顺序定义应用程序:

1)前光或背光

1) Brightfield/Darkfield/Both(CDI或Dome)

3)增强或最小化对比度所需的几何结构

4)增强或降低对比度所需的光谱特性

Joe Smith在前照明亮野同轴和Peter Niedzielski建议区分

• 直接照明:背光，前光，紫外线照明，结构照明。
• 光纤照明:环形灯，线灯，结构照明，准直，背光。
• 漫射照明:轴和帐篷。

吉姆·奥汉利(Jim O 'Hanley)表示，有些部分是重叠的

“这是一个有点困难的问题，因为有更多的技术，有些并不适用于所有的技术。广义地说，我想列举以下几点:

• 直接
• 低角度
• 暗场
• 背光
• 同轴

除此之外，您还有许多额外的技术或“诀窍”，可以进一步增强图像。其中的例子有

• 过滤
• 两极分化的
• 锐利的切割或带通
• 准直
• 扩散
• 彩色光谱(利用不同的波长来增强或消除某些特征)
• 选通

而约翰·默瓦则把颜色和波长作为另一类考虑。

3.你对研究机器视觉应用的人有什么关于照明的建议?

Harlen Houghton观察，''从照明开始。在选择相机或设计检查站之前，请确定照明是否能够满足您的需求，如果是，则为您的应用程序的最佳选择类型是什么。Choosing the lighting first eliminates headaches later when you are attempting to make a light work in restricted space or trying to overcome some other problem associated with the work environment.’‘ John suggests ‘‘research your lighting needs, by asking suppliers to provide sample images and recommendations, before you purchase anything else or finalize installation foot print.’‘

Mike提出了以下几点:

1)定义几何结构，在需要的方向上驱动对比

2)如果可能的话，寻找可以增强对比度值的光谱特性

3)选择所有能够提供上述优势的技术

建立每次应用的强度要求

5)基于剩余工艺评价寿命和稳定性参数

6）基于最终工程权衡的选择照明技术''

Peter总结说:“不要根据制造商的光测量声明来选择照明方法;它们只能用作指导方针。最好的方法是用实际的产品进行实际的经验测试。确保你在申请过程中预先考虑照明。不要把它留到最后。成功应用MV的关键是一开始就有一个良好的对比度，可重复的图像，不受环境光或周围环境的影响。”

4.一个应用机器愿景必须了解它们的应用程序（场景），可以影响特定照明布置的选择？或者如何确定哪种照明类型/技术最适合特定应用程序？

彼得爵士，“”有很多需要考虑。

• “你要成像的部件有多大?”这将部分决定你需要的照明类型。如果你看到的是一个1英寸的正方形部件，你可以使用LED或光纤照明。如果你在看一个3平方英尺的部分，你很可能会使用一些大面积的直接照明系统。
• 当图像被捕获的时候，部分会是静态的移动吗?如果它是静态的，你可以使用某种形式的连续照明。这将是最具成本效益的。如果部件正在移动，可能需要一个频闪灯源。这将有助于冻结运动。
• 它是一种颜色还是黑色和白色/灰度尺度应用？
• 这个零件的形状是什么?通常情况下，你会尝试将照明技术与部分的形状相匹配。圆形或圆形物体很适合环形灯。方形或矩形部分需要直接照明或线灯。
• 什么是表面纹理？闪亮/光泽，遮罩，弥漫等。
• 您试图确定什么样的度量或缺陷?例如:如果你正在寻找空间信息，背光源是很好的选择。如果你要在一个闪亮的表面上寻找表面缺陷，斜照明或暗场照明效果最好。”

John指出:“理想的检查、视场视角、隔离限制、工艺速度、部件变化和特殊的环境问题都会影响所需的照明。你要么有足够的经验了解分析和推荐过程，要么就向领先的供应商寻求帮助。照明公司的应用工程师比视觉公司的应用工程师有更多的经验，可以帮助您做出正确的选择。”To which Harlen adds ‘‘Approach the inspection environment with the understanding that a vision system requires consistency in order to function properly. Ambient lighting is a potential problem; human interaction in the area of the work site might eliminate the use of a bright light (IR, of course, could be used in this instance); other environmental factors such as space limitations, dirt, etc. ’‘

虽然迈克总结了“影响选择的主要因素是检查的对象是

平坦的或弯曲的

2)吸收的，透射的或反射的

3)要成像的特征与背景相比较的性质。

5.照明的哪些特性会影响特定机器视觉照明安排的选择?

哈伦建议:“光的强度、波长、检测速度以及与相机和生产线同步的能力。光到物体的工作距离。的视野。”To which John adds ‘‘Geometry or structure and wavelength or color.’‘

虽然Jim观察到“有六种常见的属性，但用户应该考虑：

• 生活
• 强度
• 形状
• 环境
• 响应速度
• 成本与性能”

迈克，同意几何结构和光谱性能，因为两个主要成分也增加了两种额外的性能，偏振状态和荧光性能，对于大多数机器视觉应用相对较小。然而，它们可用于解决结构和光谱特性不足以提供所需对比的一些战略位置中的检查问题。''和彼得增加了“连续或频闪照明，色温，强度”。'

许多人从使用激光在结构光安排的角度观察到“方向性，波长，光谱，散斑，强度，源类型(扩展或点源)。”

6.相机会影响灯光吗?如何?

阿兰指出:“是的，这主要是因为相机的光学(景深、光圈和分辨率)和实际探测器(CCD或CMOS)的光学特性。在现有的摄像机中，Scheimpflug条件很少被满足，这损害了视觉系统的性能。”

Joe评论''线扫描与区域扫描相机会影响照明。预计
照明形状需要匹配相机阵列形状。”Peter adds, ‘‘Different cameras are sensitive to different wavelengths, based upon the construction and architecture of the camera. For example, CCD-based cameras are most sensitive around the 580nm region. Accordingly, lighting which produces a high quantity of illumination around that wavelength allow the full capabilities of the camera to be used.’‘

Paul Karazuba建议，基于相机的构造和架构，“不同的摄像机对不同的波长对不同的波长敏感。例如，基于ccd的相机在580nm区域最敏感。因此，在该波长周围产生大量照明的照明允许使用相机的完整能力。“迈克指出”相机和相机镜头的变化可以改变照明的有效性。相机的光谱响应，镜头的光谱吞吐量可以改变由检查部分产生的对比度。类似地，系统的数值孔径可以限制进入结构的有效性。这里的主要问题是，通过人眼或其他相机镜头设置来测量的成功 - 不通过二次相机和镜头系统转换为成功。''

吉姆建议:“相机绝对会影响灯光。CCD具有独特的光谱灵敏度特性，这意味着它们在某些波长比其他波长更敏感。很多时候，这对用户来说是有利的。这方面的一个例子是CCD相机，在近红外范围内是敏感的。在这种情况下，可以用红外光来照亮目标，而红外光对人类操作人员来说几乎是不可见的。这在现实世界中经常发生，以消除光线对操作者的干扰。

有两项新技术也对照明技术产生了影响。第一个是TDI(时间延迟和集成)，用于线扫描相机，如来自DALSA的食人鱼线。与传统的线扫描相机相比，该技术将线扫描相机的灵敏度提高了100倍。最终的结果是开启了线扫描在LED技术中的应用。

第二种会产生影响的技术是CMOS技术。许多相机制造商开始引入CMOS相机，虽然有很多优点，但从照明角度来看有一点缺点。根据我们的经验，它们对光的敏感度要低得多(之前提到过10-20%)。这导致在为这项技术指定光源时略有不同的考虑。”

7.光学影响照明吗?如何?

John suggests, ‘‘Optics should be chosen to complement the camera sensor and lighting chosen.’‘ And Jim adds ‘‘The biggest influence optics will have on lighting is that the higher the magnification, the more light that is necessary.’‘ While Peter advises, ‘‘ABSOLUTLY, You could right an entire thesis on this topic. Light output, stability, image clarity, repeatability, etc. Do not underestimate the power of optics can have on success and failure in a system.’‘

从结构化的光应用中使用激光器的角度来看，Alain观察“是的，超过探测器类型。这在许多应用中至关重要，特别是激光和斑点噪音。''

8.在过去的一年里，你们有没有为机器视觉市场推出一些新的照明产品?如有，请详细描述。

StockerYale:具有高波长稳定性的热电冷却激光器，允许使用非常选择性的滤波器，以提高信噪比

Schott -Fostec.:去年，我们推出了智能LED照明。我们的LED头拥有光反馈和温度控制技术。将这些头与我们新的基于微处理器的SC2100控制器结合使用，提供了解决各种LED照明应用所需的功能。

照明技术:2002年推出4900光源系列。该产品是国内首款白光光纤光源，可方便地按NIST可追溯标准进行标定。该单元提供业界第一个以太网接口，用于无缝集成到工厂自动化系统和OEM产品。网站上有详细的产品说明书。

CCS America：介绍了HLV系列LED聚光灯。HLV系列设计为卤素灯，特别是面积扫描，线路扫描，2 D代码读取和微精密市场。HLV系列将LED照明（长寿命，低发热，可选颜色）的优点与卤素纤维照明（300,000 Lux）的强度相结合，为LED照明解决方案开辟了新市场。

高级照明：具有不同颜色，工作距离和几何形状的LED的更标准变化。选择不同灯光的强大选择是解决各种应用的关键

9.荧光，LED，石英卤素，HID，氙气等的优点/缺点是什么?

点击这里要查看反映所有受访者的输入复合的表。

10.反馈控制有多重要？

这个问题的答案中没有共识。可以安全地说，对反馈控制的需求是应用的，因为一些建议对机器视觉应用的建议非常重要，而其他人则建议没有必要。乔建议，“我们觉得这很重要。我们有反馈技术可用于我们的光纤和LED系统。在该领域的应用中约5％需要稳定的光线。“迈克放大了这种进一步的”反馈控制在需要长期稳定光输出的应用中仅重要。这些包括校准应用（CCD＆CMOS传感器，LCD显示，反射，比色法等）以及典型的多源平衡系统在Web照明市场中。“

Jim从led的角度评论道:“反馈控制是一个有趣的概念，在照明行业中已经讨论了相当长的时间。这是必要的，但我认为是有争议的。反馈控制的概念是照明系统不断地监测自己，并将提供微小的调整，以确保一个可重复的光源。对这样一个特性的需求立即引发了对光源本身的稳定性和可重复性的质疑。大多数光源当然会随着时间的推移而退化。如果光源的退化如此之快以至于需要反馈控制，我会说光源的价值是有问题的。对于LED，应定期校准，以确保光源的稳定性。”

11.您如何看待led对机器视觉领域的影响?

哈伦指出:“led已经成为机器视觉的一场无声革命。一种光源曾经被认为比一个立体指示灯多一点，现在已经有了很长的路要走，并继续改进。led已经将机器视觉应用到荧光或光纤光源无法实现的许多领域。没有了笨重的光纤束和光源，led可以从电源或频闪灯控制器远程放置。低功耗使用允许一些LED光源与电池电源一起使用，为它们在危险情况下的使用创造了机会，如检查爆炸物。而约翰补充道:“它彻底改变了它。”十年前，LED照明公司几乎不存在，现在有很多。由于它们的产量、成本、尺寸、寿命和稳定性，它们是首选的光源。”

吉姆重申'LED's对机器愿景产生了巨大影响。我在机器视觉中的早期经验是在食物链的系统和解决方案结束。那时，照明总是一个持续的头痛。照明是系统成本，机械考虑和维护程序的主要部分。随着LED技术的出现，大多数问题都已减少或删除。LED照明是相对较低的（尽管照明的价格相对于整体系统价格仍然很高），非常灵活，坚固，非常长的寿命。''

Mike评价了它对整个机器视觉市场的影响，“结合不断降低的“盒子中的视觉”或“智能相机”类型的系统，led帮助打开了大量的机器视觉应用程序，以前是在价格性能曲线之外的。”

12.鉴于LED照明的这些进步，为什么还会有人购买其他照明设备呢?光纤环光?还是荧光灯?

彼得说:“特定的应用需要特定类型的照明。与led相比，卤素光纤系统可以获得更高的强度。氙气频闪灯提供更高的强度，仍然是最好的彩色应用。荧光灯照明更便宜。”While Mike suggests, ‘‘It is clear that the brunt of growth for new applications groups will be addressed with LED technologies. The other technologies still service niche application groups where the particular fit provides benefits that LEDs cannot. ’‘

JIM笔记，“”我讨厌承认它，LED技术仍有一些局限性，这意味着一些更传统的照明类型的市场。

• 成本-仍然有一些较便宜的替代方案可以用于某些特定的应用程序。如果你需要在漫射白光中沐浴目标，而且它不是一个高使用应用程序，你不能比荧光灯的价格。
• 强度——尽管LED的强度仍在迅速提高，但仍有一些应用超出了LED的能力。这通常是大目标尺寸、长工作距离和定价考虑的结合。
• UV - UV LED灯似乎有市场，一些LED照明供应商正在提供它们，但价格比传统UV灯低得多。”

13.有什么新兴的发展会影响机器视觉照明?

约翰认为:“led和电光是未来的方向。LED的亮度和波长是最热门的。”Mike comments ‘‘Continued improvements to lighting tolerant software will probably play the largest role in determining lighting requirements in the future.’‘ And Peter notes ‘‘Faster cameras that require less light; more powerful and sophisticated vision systems; and movement towards more custom solutions to lighting applications.’‘ While Joe suggests ‘‘HID lamps could effect they market if the stability could be improved.’‘

吉姆观察，“”将会有不断的技术进步，将改变我们的行业。我相信LED将继续改善。芯片技术上是一种有趣的技术，可能对一些OEM市场有一些相关性。我提到了相机技术的一些变化，这将会产生影响。

我认为，对我们这个行业产生最大影响的发展，其中一些可能是致命的，是低成本机器视觉系统和智能相机的出现。这一趋势对行业来说是一个极好的机会，因为它以数量级扩大了市场。不祥的是，价格越来越低，低成本的机器视觉系统在市场上没有考虑到对照明、编程、集成或居民专业知识的需求。这可能会产生与机器视觉首次引入时类似的负面反应。我认为，从总体成本、性能和维护的角度来看，保持客户的期望现实是很重要的。”