机器视觉——光源选型原理及使用方法
最近在某小公司实习了一段时间，发现平常自己学习的那些机器视觉、计算机视觉和实际工作中的情况天差地别。公司用海康威视的MVS和VisionMaster
软件进行方案的设计，如有需求也使用Halcon。
在实验室中，遇到某个问题时，总是想着如何去分离这个特征或者直接上深度学习网络去解决问题，遇到数据集稀缺或背景复杂时就很难处理。然而那些我看上去难以解决的问题，在公司中的技术人员眼中，经过合理的打光就能通过简单的算法完美解决。
某些特征经过合理的打光能很明显的显示出来，实际工业应用中，也是光源加机械手对缺陷或目标物件进行识别和定位，合理的光源和打光方法能解决80%的问题。
光源篇
- 1.光源的重要性
- 2.光源的需求分析
- 3.光源颜色的使用
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- 3.1 白色光源（W）
- 3.2 蓝色光源（B）
- 3.3 红色光源（R）
- 3.4 绿色光源（G）
- 3.5 红外光（IR）
- 3.6 紫外光（UV）
- 4.光源的照射方式
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- 4.1 角度照射
- 4.2 垂直照射
- 4.3 低角度照射
- 4.4 背光照射
- 4.5 多角度照射
- 4.6 碗状光照明
- 4.7 同轴光照射
- 5.光源选择要领
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- 5.1 条光选型要领
- 5.2 环光选型要领
- 5.3 条形组合光选型要领
- 5.4 背光源/平行背光源造型要领
- 5.5 同轴光造型要领
- 5.6 平行同轴光选型要领
- 6.案例分析
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- 6.1 酒瓶盖条码检测
1.光源的重要性
由上图可见不同的光源产生了完全不同的成像效果，从而也导致不同的检测算法（优选及简化） 。
选择合适的光源，可突显良好的图像效果（特征点），可以简化算法，提高检测精度、保证检测系统的稳定性。
2.光源的需求分析
任务：检测（识别）、测量、定位、条形码、字符识别、三维扫描等。
性能要求：如检测内容、检测速度、检测精度等。
其他配合：如相机、镜头、软件、安装方式等。
3.光源颜色的使用
常用光源颜色有：白色、蓝色、红色、绿色、红外、紫外。
3.1 白色光源（W）
白色光源通常用色温来界定,色温高的颜色偏蓝色(冷色，色温>5000K)，色温低的颜色偏红(暖色，色温<3300K)，界于3300与5000K之间称之为中间色，白色光源适用性广，亮度高，特别是拍摄彩色图像时使用更多。
3.2 蓝色光源（B）
蓝色光源波光为430-480之间，适用产品：银色背景产品（如钣金，车加工件等）、薄膜上金属印刷品。
3.3 红色光源（R）
红色光源的波长通常在600-720之间，其波长比较长，可以透过一些比较暗的物体，例如底材黑色的透明软板孔位定位、绿色线路板线路线路检测，透光膜厚度检测等，采用红色光源更能提高对比度。
3.4 绿色光源（G）
绿色光源波长510-530，界于红色与蓝色之间，主要针对产品：红色背景产品，银色背景产品（如钣金，车加工件等）。
3.5 红外光（IR）
红外光的波长一般为780-1400，红外光属于不可见光，其透过力强。一般LCD屏检测、视频监控行业应用比较普遍。
示例：合理运用颜色过滤背景，红色的光源过滤掉红色的文字
白色光源下：
红色光源下：
3.6 紫外光（UV）
紫外光的波长一般为190-400，其波长短，穿透力强，主要应用于证件检测、触摸屏ITO检测、布料表面破损、点胶溢胶检测等方面，金属表面划痕检测等.
4.光源的照射方式
光源是影响机器视觉图像质量的重要因素，照明对输入数据的影响至少占到 30 % 。好的打光方式可以准确捕捉物体特征，提高物体与背景的对比度。
4.1 角度照射
应用：
特点：在一定工作距离下，光束集中、亮度高、均匀性好、照射面积相对较小。常用于液晶校正、塑胶容器检查、工件螺孔定位、标签检查、管脚检查、集成电路印字检查等(30、45、60、75等角度环光*)。
4.2 垂直照射
应用：
特点：照射面积大、光照均匀性好、适用于较大面积照明。可用于基底和线路板定位、晶片部件检查等（0角度环光、面光源*）。
4.3 低角度照射
应用：
特点：对表面凹凸表现力强。适用于晶片或玻璃基片上的伤痕检查（90度环光*）。
4.4 背光照射
应用：
特点：发光面是一个漫射面，均匀性好。可用于镜面反射材料，如晶片或玻璃基底上的伤痕检测；LCD检测；微小电子元件尺寸、形状，靶标测试。（背光源、平行背光源）
4.5 多角度照射
应用：
特点：RGB三种不同颜色不同角度光照，可以实现焊点的三维信息的提取。适用于组装机板的焊锡部份、球形或半圆形物体、其它奇怪形状物体、接脚头（AOI光源）。
4.6 碗状光照明
应用：
特点：360度底部发光，通过碗状内壁发射，形成球形均匀光照。用于检测曲面的金属表面文字和缺陷。（球积分光源，通常也叫圆顶光）
4.7 同轴光照射
应用：
特点：类似于平行光的应用，光源前面带漫反射板，形成二次光源，光线主要趋于平行。用于半导体、PCB板、以及金属零件的表面成像检测，微小元件的外形、尺寸测量。（同轴光源，平行同轴光源）
5.光源选择要领
5.1 条光选型要领
1、条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；
2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度传经比中间暗；
3、如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；
5.2 环光选型要领
1、了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大；
2、目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；
3、目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，或大尺寸高角度环形光；
4、检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源；
5.3 条形组合光选型要领
1、条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不一样，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合；
2、组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合；
5.4 背光源/平行背光源造型要领
1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；
2、背光源四周一条由于的外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；
3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；
4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；
6、检测液位可以将背光源侧立使用；
7、圆轴类的产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源；
5.5 同轴光造型要领
1、选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；
2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变,光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;
3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性；
5.6 平行同轴光选型要领
1、平行同轴光光路设计独特，主要适用于检测各种划痕；
2、平行同轴光与同轴光表现的牲点不一样，不能替代同轴光使用；
3、平行同轴光检测划伤之类的产品，尽量不要选择波长长的光源；
6.案例分析
6.1 酒瓶盖条码检测
检测的内容主要有条码识别、条码打标位置是否偏离；使用光源：204mm、60度蓝光。
单个瓶盖：
要求装在包装箱里检测：
选型分析：
1、了解产品特性：
瓶盖上面是黑色，另有红黑交错背景图案，条码为激光刻印显灰色，为了显现出条码，应该将字符打亮，背景与字符分辨明显；我们如果选用红色光源的话，背景中的红色会滤掉打白，会干扰同为白色的字符，所以，我们应该利用光源的互补原理，采用蓝色光源，将红色背景尽量打黑；
白色光源效果：
蓝色光源效果：
2、了解产品形状选择合适光源
瓶盖为圆形，直径为25MM，一般此情况可以选择同轴光或者环形光比较合适；
3、了解产品材质特性选择合适光源
瓶盖为金属材料，表面有印刷图案，比较光滑，反光度很强，选用同轴光或带角度的环形光比较合适；
4、模拟现场打光选择能用的光源
由于酒瓶必须装在包装纸箱里，瓶盖离纸箱上顶部的距离有80MM，考虑需要留一定的空间，因此，瓶盖离光源需要的距离为100MM或以上，如此高的距离，小同轴光跟小环光以及低角度光就不能满足要求，必须选用大同轴光跟大环光
5、打光试验
根据以上情况选择大致的光源后，再进行性价比对比，选择性价比高的光源进行实际打光测试（同轴光如果提到110MM距离的话，需要用到120左右的光，单位价值比较高，所以选择环形光比较经济）
采用180mm、30度蓝色环光在110MM高度打光周边亮带反光强，不利于找中心位。
采用204mm、60度蓝色环光在110MM高度不会将光源LED亮斑影投射到瓶盖上。
6、最终确定光源
根据打光效果图进行软件处理，在得到可靠性及准确性 的条件下选择正确的光源。
以上述案例可以看出:
1、产品的颜色影响光源的颜色；
2、产品的特性可以确定光源的照射方式，从而确定光源的类型；
3、产品的安装空间及相机、镜头、传感器的位置等障碍可以摒弃一些不方便安装的光源；
4、光源的安装高度影响光源的类型及大小；