机器视觉与照明

与房地产一样，在成功投资的关键是位置，位置，位置，在机器视觉中的钥匙值（等于成功）是照明！灯光！灯光！值得注意的是，用照明的成功的关键是照明的位置！机器视觉中成功的主要原因是消除外观变量和一致的外观，适用，特定于应用特定的照明产量。Unlike the early days of machine vision when many of the entrepreneurial researchers in pioneering machine vision companies suggested, ‘‘We just need an image, our image processing and analysis algorithms will work for your application,’‘ today the surviving companies acknowledge the importance of lighting and scene consistency.

如今，由于该行业在应用机器愿景中拥有超过30年的经验，许多“罐装”的照明安排已经开发出适合许多已被广泛部署在一个或另一个制造业的应用程序。然而，许多应用程序必须仍然可以理解应用程序，外观变量，几何形状，表面问题，镜面问题，位置变量等以及照明来源的影响（白炽灯，荧光，石英卤素，HID，氙，LED，等等）和照明布置（背部，侧面，前部，结构等）和照明几何形状（点，漫射，准直等）以优化照明以实现图像一致性。

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
• 吉姆·奥汉利- CCS美国
• 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
• 卢克·梅尼和阿兰·博勒加德-斯托克耶尔

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.如何将机器视觉中使用的照明技术进行分段？

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）前照明或背光

1）Brightfield / Darkfield / Bot（CDI或圆顶）

3）增强或最小化对比所需的几何结构

4)增强或降低对比度所需的光谱特性

乔·史密斯补充说，在前面照明下的亮场同轴和彼得·尼德泽尔斯基提出的区别是

• 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
• 暗视野
• 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?

哈伦·霍顿说:“从照明开始。在选择相机或设计检测站之前，要确定照明是否能够满足您的需求，如果可以，最好的照明类型适合您的应用。当你想要在有限的空间里使用灯光，或者想要克服一些与工作环境相关的其他问题时，首先选择灯光可以避免以后的头痛。约翰建议:“在你购买任何其他东西或最终确定安装脚印之前，通过要求供应商提供样品图像和建议，研究你的照明需求。”

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）寻找可以在可能的情况下提高对比度值的光谱特性

3）选择可以提供上述优势的所有技术

4）每个申请建立强度要求

5)基于剩余工艺评价寿命和稳定性参数

6)根据最终的工程权衡选择照明技术

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。”

4.一个应用机器视觉的人必须知道他们的应用(场景)会影响特定照明安排的选择吗?或者如何决定哪种照明类型/技术最适合特定的应用?

彼得建议说:“有许多事情要考虑。

• ''你成像的部分的大小是多少？这将部分确定您需要的照明类型。如果您正在查看1英寸的方形部分，可以使用LED或光纤照明。如果您正在查看3英尺的方形部分，您最有可能使用某种类型的大面积直接照明系统。
• 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。
• 它是一个彩色或黑白/灰阶应用程序?
• 部分的形状是什么？通常，您尝试将照明技术与部件的形状匹配。圆形或圆形物体非常适合环灯。方形或矩形部件需要直接照明或线路光。
• 表面纹理是什么?有光泽的，哑光的，漫反射的，等等。
• 您试图确定哪些测量或缺陷？示例：如果您正在寻找尺寸信息 - 背部照明非常好。如果您正在寻找闪亮的表面倾斜照明或暗田照明的表面缺陷。“

约翰表示，“期望的检查，FOV，脱离限制，过程速度，部分变化和特殊环境问题都影响所需的照明。要么你有足够的经验，你了解分析和推荐过程或者只是要求领先的供应商寻求帮助。照明公司应用工程师的经验更远而不是视觉公司。应用工程师可以帮助您做出正确的选择。“”Harlen为其添加“接近检查环境，了解视觉系统需要一致性以正常运行。环境照明是一个潜在的问题;工作场所区域的人类相互作用可能会消除使用明亮的光线（当然，可以在这种情况下使用亮光灯）;其他环境因素，如空间限制，污垢等。

而Mike总结道:“影响选择的主要因素是被检查的对象是否是

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.’‘

Jim指出:“用户应该考虑以下六个常见属性:

• 生活
• 强度
• 形状
• 环境
• 响应速度
• 成本与性能”

Mike在认同几何结构和光谱特性的同时也补充道:“偏振态和荧光特性这两个额外特性对于大多数机器视觉应用来说是相对次要的。然而，当结构和光谱性质不足以提供所需的对比时，它们可以用于解决一些战略性的检测问题。彼得补充道:“连续或频闪灯照明、色温、亮度。”

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评论道:“直线扫描和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，”不同的相机对不同波长敏感。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。“虽然迈克指出”相机和摄像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通过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建议:“应该选择光学来补充相机传感器和照明。”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.’‘

再一次，从激光在结构光应用的角度，阿兰观察到，“是的，比探测器类型更多。它在许多应用中都至关重要，特别是在激光和散斑噪声方面。”

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

肖特 -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年推出了4900次光源系列。该产品是第一款白光光纤源，可轻松校准该领域的NIST可追溯标准。该装置为行业的第一个以太网接口提供成植物自动化系统和OEM产品的无缝集成。网站上有一个详细的产品表。

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的更多标准变化。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?

点击这里查看反映所有应答者输入组合的表。

10.反馈控制有多重要?

对这个问题的答案没有共识。可以肯定地说，反馈控制的需要是依赖于应用程序的，一些人认为它是非常重要的机器视觉应用程序，而另一些人认为它是不必要的。乔建议说:“我们觉得这很重要。我们的光纤和LED系统都有反馈技术。大约5%的应用需要稳定的光照。”Mike amplified this further ‘‘Feedback control is only important in applications where long term stable light output is required. These include calibration applications (CCD & CMOS sensors, LCD displays, reflectance, colorimetry, etc.) as well as multi-sourced balanced systems typical in the web illumination markets.’‘

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，寿命极为长。''

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，为什么有人会买任何其他照明？例如。光纤环光？或荧光线的光线？

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. ’‘

吉姆指出:“尽管我不愿承认，但LED技术仍有一些局限性，这意味着一些更传统的照明类型仍有市场。

• 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的强度仍然迅速改善，但仍有超出LED的能力的应用。这通常是大型目标大小，长工作距离和定价考虑的组合。
• 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.有什么新兴发展，将影响机器视觉照明？

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.’‘

吉姆说:“技术的不断进步将改变我们的行业。我相信LED会继续改善。板上芯片技术是一种有趣的技术，可能与OEM市场有些关联。我之前提到了一些将产生影响的相机技术的变化。

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。”