為機(jī)器視覺應(yīng)用選擇照明方案需要注意的幾個問題

適當(dāng)?shù)恼彰鲗C(jī)器視覺應(yīng)用的成功至關(guān)重要。如果沒有照明，圖像將無法顯示足夠的被檢物品的重要特征信息。照明是常見的機(jī)器視覺應(yīng)用解決方案的一個重要部分，這些常見的應(yīng)用包括產(chǎn)品出廠前檢測其是否存在缺陷，或者在產(chǎn)品或包裝通過物流環(huán)節(jié)時，讀取產(chǎn)品或包裝上的條形碼或其他字母數(shù)字信息。從事成像和視覺工作的工程師都知道，設(shè)計(jì)一個可靠的照明解決方案并不是一個簡單的命題。市場上有數(shù)千種照明選項(xiàng)可供選擇，包括鹵素?zé)簟谉霟?、熒光燈、緊湊型熒光燈、等離子體型燈、高強(qiáng)度放電（HID）、氙氣燈、發(fā)光二極管（LED）、光纖和結(jié)構(gòu)光照明等。其中，LED是機(jī)器視覺應(yīng)用中最常見的照明選擇，因?yàn)樗鼈兪褂脡勖L，可以持續(xù)工作，并且可提供多種尺寸、形狀和顏色。LED照明選擇還涵蓋可見光、紫外線（UV）、窄帶和寬帶可見光和紅外（IR）光譜等不同波段的照明。要從如此多的選項(xiàng)中選擇合適的照明，重要的是要考慮待成像物體的特征，如大小、形狀和顏色；物體、光和相機(jī)之間的空間關(guān)系；以及光如何被物體和背景反射或吸收。面對這么多需要考慮的事情，也很容易出現(xiàn)疏漏或失誤。為了深入了解如何避免或解決照明規(guī)劃和執(zhí)行中的一些常見問題，我們邀請了幾家光源公司的專家分享了他們針對照明部署的真知灼見。問題1：沒有在設(shè)計(jì)開始時就考慮照明問題許多專家一致認(rèn)為，部署機(jī)器視覺照明最常見的一個問題是：直到設(shè)計(jì)過程的最后階段，才去考慮解決照明問題。AdvancedIllumination公司應(yīng)用支持和內(nèi)部銷售代表BrettThrailkill解釋說：“不幸的是，許多用戶有一種誤解，認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程結(jié)束之前，不需要考慮合適的機(jī)器視覺照明。這通常會導(dǎo)致成本超支、照明質(zhì)量低下和生產(chǎn)時間延遲。為了防止這種情況，我們呼吁所有應(yīng)用工程師在開發(fā)過程的早期，就應(yīng)該考慮照明選項(xiàng)。”CCSAmerica公司技術(shù)營銷經(jīng)理LindseySullivan對此表示贊同，他說：“在設(shè)計(jì)過程的一開始就測試和解決照明問題至關(guān)重要。一旦了解了具體應(yīng)用所需要的照明條件，檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就可以考慮到樣品的位置、大小、工作距離、燈光的顏色和幾何形狀等眾多因素?！眴栴}2：選擇了錯誤的照明顏色光可以被不同程度地反射或吸收，這取決于光的顏色和被成像的物體。AdvancedIllumination公司表示，通常，與被成像物體顏色相似的照明光，會反射并因此使得被成像物體變亮；而與被成像物體顏色相對的（在色相環(huán)中位于180°相對的位置）照明光顏色，會使被成像物體變暗。有時，最好的選擇是使被成像物體變暗——尤其是需要閱讀印刷在物體上的代碼或字母時。比如，用綠光照亮白色信封上的紅色印刷代碼，將會得到最清晰的代碼圖像。然而，如果照明的目標(biāo)是照亮物體或使物體與其背景之間的對比度增強(qiáng)，例如檢測傳送帶上的糖果，那么照亮被成像物體則有優(yōu)勢。這就是為什么工程師們在許多應(yīng)用中選擇白光，包括暖色和冷色，尤其是涉及彩色相機(jī)的應(yīng)用。彩色燈光與單色相機(jī)配合使用?！叭绻a(chǎn)品在未來的迭代中顏色發(fā)生變化，白光也會隨著時間的推移提供最大的靈活性。”SpectrumIllumination公司副總裁兼設(shè)計(jì)工程師DavidHardy表示，“例如，被檢測的零件是紅色或白色，并選擇紅光照明。但如果稍后添加綠色或藍(lán)色的零件，它可能會顯得很暗，因?yàn)榫G色和藍(lán)色在色相環(huán)上與紅色處于相對的位置。在這種情況下，最初使用白光會更好，甚至可以使用紅外光來去除顏色?！盤roPhotonix公司技術(shù)總監(jiān)SimonStanley提供了一個醫(yī)療器械行業(yè)客戶如何解決顏色問題的案例?！翱蛻粽跈z測不同顏色膠囊上的數(shù)據(jù)矩陣代碼。他們僅限于使用高分辨率單色CognexIn-Sight9000相機(jī)，工作在行掃描模式，使用白光線光源照明，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于一些彩色膠囊，圖像沒有足夠的對比度。”為了解決這個問題，ProPhotonix向該醫(yī)療公司提供了RGB-WhiteCOBRAMultiSpecLED，該LED具有單獨(dú)的顏色和強(qiáng)度控制，工程師可以通過圖形用戶界面（GUI）對其進(jìn)行控制。這使他們能夠“調(diào)整光線以優(yōu)化整個灰度圖像的對比度，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的圖像采集，而不管膠囊的顏色如何?！痹摼€形光源具有多達(dá)12種不同波長的輸出，波長范圍覆蓋365~1650nm。圖1：ProPhotonix公司的RGB-WhiteCOBRAMultiSpecLED，具有多達(dá)12種不同波長的輸出，波長范圍覆蓋365~1650nm。問題3：沒有針對應(yīng)用環(huán)境選擇正確的照明SpectrumIllumination公司的Hardy表示，選擇照明的另一個常見問題是：在照明選擇過程中沒有考慮實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境?！拔覀兛吹皆S多客戶選擇了與生產(chǎn)環(huán)境不相匹配的照明方案。例如，在CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）機(jī)器附近使用標(biāo)準(zhǔn)背光燈或圓頂燈；在這種環(huán)境中，冷卻液會飛濺在燈上，隨著時間的推移，會導(dǎo)致內(nèi)部燈芯腐蝕并最終失效。”在為惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)機(jī)器視覺應(yīng)用時，應(yīng)該優(yōu)先選擇具有更高IP防護(hù)等級的光源。SpectrumIllumination公司的IP68Washdown系列LED，是專門針對相對惡劣的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的。該系列包括環(huán)形燈、圓頂燈、聚光燈和線形燈。SpectrumIllumination公司2018年推出的最新產(chǎn)品是WashdownMonsterDomeLight，其設(shè)計(jì)目的是在不損失強(qiáng)度的情況下，消除產(chǎn)品圖像中的眩光。圖2：Wash-downMonster圓頂燈，屬于SpectrumIllumination公司提供的IP68Wash-down系列LED，專為惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)。問題4：沒有考慮未來的產(chǎn)品修訂或生產(chǎn)環(huán)境的變化英國TPLVision公司產(chǎn)品經(jīng)理JackMcKinley表示，選擇柔性照明產(chǎn)品可以降低當(dāng)前或未來生產(chǎn)環(huán)境中的未知因素，對應(yīng)用可行性造成的風(fēng)險(xiǎn)。TPLVision的客戶經(jīng)常遇到與實(shí)驗(yàn)室測試不同的應(yīng)用條件。因此，“可能需要更高的亮度（通過過驅(qū)動產(chǎn)品解決），不同的環(huán)境條件可能需要不同的照明設(shè)置，或者集成可能與預(yù)期不同。這正是靈活性發(fā)揮作用的地方。”JackMcKinley說。圖3：TPLVision的模塊化微型條形燈，專為密閉空間而設(shè)計(jì)。TPLVision公司的模塊化微型條形燈M-TBAR，專為機(jī)器人應(yīng)用等密閉空間而設(shè)計(jì)，具有高度靈活性。該產(chǎn)品允許用戶使用該公司的角度轉(zhuǎn)換器來改變光束角度；角度轉(zhuǎn)換器是一種可用于加寬光束角度的微光學(xué)漫射器。該燈還提供閃光燈過驅(qū)照明。法國EFFILUX公司的EFFI-FLEX2也提供了高度靈活性，允許工程師調(diào)整發(fā)射角度、均勻性和操作模式（過驅(qū)、可調(diào)閃光燈和可調(diào)光連續(xù)模式）。EFFILUX公司美國銷售經(jīng)理MariannKiraly解釋道：“還有各種其他光學(xué)配件很容易安裝在燈上。這意味著用戶可以在不需要購買新燈的情況下，獲得不同的照明幾何結(jié)構(gòu)，這節(jié)省了可能導(dǎo)致項(xiàng)目延誤的重新設(shè)計(jì)工作的資金和時間?！眻D4：EFFILUX公司的每個EFFI-Flex2LED燈都有三種工作模式：過驅(qū)、可調(diào)閃光燈和可調(diào)光連續(xù)模式。在某些應(yīng)用環(huán)境中，低估聯(lián)機(jī)檢測所需的速度，也可能導(dǎo)致照明方面的挑戰(zhàn)。AdvancedIllumination公司更新了其BL2背光以提高亮度，從而實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。這些燈還設(shè)計(jì)用于可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展的長度或?qū)挾瓤蛇_(dá)46英寸。它們可以在連續(xù)或過驅(qū)選通模式下工作。圖5：AdvancedIllumination公司的BL2背光源提供可擴(kuò)展配置，長度和寬度最高可達(dá)46英寸。CCSAmerica的Sullivan解釋說，照明控制器也具備高度靈活性，特別是在部署多個照明解決方案的情況下。例如，多個燈光同時打開，但強(qiáng)度設(shè)置不同，以避免過度曝光圖像；或者多個燈光按順序打開/關(guān)閉，以捕捉多個圖像?！袄?，控制器可以為亮場圖像打開平圓頂燈，然后為暗場圖像打開低角度燈?！彼榻B說。CCSAmerica的PD4系列照明控制器，是為這些類型的情況而設(shè)計(jì)的，它允許工程師在一個應(yīng)用程序中為燈編程多達(dá)16步的打開/關(guān)閉。圖6：CCSAmerica的PD4系列照明控制器，配備了全方位的照明控制功能。問題5：忽略了傳感器和鏡頭對照明的影響MetaphaseLightingTechnologies公司銷售經(jīng)理MarkKolvites表示，“照明中的另一個問題是忽略了這樣一個事實(shí)，即鏡頭和相機(jī)傳感器也是拍攝圖像的光學(xué)路徑的一部分，它們可能也會影響所使用的照明方案。例如，相機(jī)鏡頭的角度越寬，視野周圍的光學(xué)失真就越大，使圖像看起來不均勻，即使光線本身可能是均勻的?！边@就是為什么Metaphase開發(fā)了一種線性條形光源，其末端會比中間部分更亮，以補(bǔ)償視場周圍的鏡頭圖像衰減。Metaphase公司的MultispectralExolaightv2.0光源，最多可覆蓋六個波長，包括短波紅外（SWIR）光譜。圖7：MetaphaseTechnologies的多光譜Exolaightv2.0光源有多種版本，包括R、G、B、W、RGBIR、UV395、IR850、IR940、SWIR、高光譜、多光譜。問題6：沒有考慮難以讀取的條形碼除了制造業(yè)中的檢測應(yīng)用之外，機(jī)器視覺在物流和倉儲等應(yīng)用領(lǐng)域也面臨著大量照明挑戰(zhàn)，自動化產(chǎn)線或倉儲物流中的條形碼掃描就是其中之一。準(zhǔn)確讀取這些條形碼變得越來越復(fù)雜，需要一種創(chuàng)造性的照明方法。正如SmartVisionLights公司培訓(xùn)、合規(guī)和技術(shù)解決方案總監(jiān)SteveKinney所解釋的那樣，“今天的掃描門戶必須讀取單個物品的透明外包裝、通過聚乙烯袋查看里面的物品、通過放置在運(yùn)輸標(biāo)簽上的保護(hù)透明薄膜、甚至通過放置在托盤上的褶皺包裝，來讀取物品上的條形碼。在這些要求很高的情況下，不僅各種薄膜和包裝會導(dǎo)致無法看到要讀取的條形碼，而且它們的表面也不平整，使成像更加困難?！眻D8：偏振照明技術(shù)允許條形碼掃描儀透過塑料薄膜層進(jìn)行掃描。SteveKinney建議使用偏振照明技術(shù)來穿透塑料薄膜層，減少表面眩光?！巴ㄟ^使用交叉偏振，將線性偏振器放置在光源（發(fā)射器）上，將另一個旋轉(zhuǎn)線性偏振器連接在相機(jī)鏡頭（接收器）上，來自物品表面的光線被減少，而穿透表面的光能，部分穿過接收偏振器。由于交叉偏振效應(yīng)減少了來自表面的光，光澤塑料表面的眩光和其他鏡面效應(yīng)也減少了。”SteveKinney解釋說。SteveKinney補(bǔ)充道，照明制造商已經(jīng)開發(fā)出具有過驅(qū)特性的專業(yè)照明產(chǎn)品，“在短時間內(nèi)，光以穩(wěn)態(tài)電流的倍數(shù)工作，以產(chǎn)生更亮的頻閃。這允許在門戶掃描系統(tǒng)中使用偏振技術(shù)以有效工作；同時在高速通過系統(tǒng)時，仍有足夠的光用于所需的短曝光期，以在無運(yùn)動模糊的情況下成像?！边@類照明解決方案的一個例子是SmartVisionLights公司的Lightgistics系列。該燈采用雙OverDrive技術(shù)