浅谈机器视觉解决方案的的三个核心

正确的照明设计对于确保机器视觉项目的成功至关重要。忽视这一点是机器视觉项目失败的最常见原因之一。

机器视觉照明是一个广泛的话题，但这一篇简短的文章可能会对你有用，因为一些核心概念并不广为人知。有人说如果你不能简单地解释它，就说明你还不够了解它，因此我们将努力省略令人繁琐的数学和术语，用最简单的三个核心来描述。 我们将从三个核心陈述开始： 机器视觉照明的使命不是照亮它，而是创造可靠的差异化，使预期的检测程序能够发挥作用。对于传统的基于规则的机器视觉（相对于深度学习），创建的差异通常也需要是简单规则类型。

机器视觉照明设计不仅仅与光源有关，它是光源、相机或成像系统与工件之间的三向几何关系。选择相机或工件的位置和方向通常是照明设计的一部分，而这三项之间的几何关系始终是照明设计的一部分。

正确的照明设计对于确保机器视觉项目的成功至关重要。这句话它看起来非常的常规和陈词滥调；但是忽视这一点是机器视觉项目失败的最常见原因之一。 让我们通过将讨论范围缩小到2D成像和传统的基于规则（与深度学习）的机器视觉来简化我们的讨论。 您已经直观地了解机器视觉照明设计的一些主要概念，即使您不认识它们或将它们应用到机器视觉中。让我们来看看如何识别和描述它们，以便将它们应用于机器视觉解决方案。

图 1 对于我们的示例，我们将使用图 1 中所示的光面印刷品。我们还引入了一个缺陷：穿过色轮的黄色和橙黄色部分的折痕/凹痕。STAR 首字母缩写词涵盖了射到工件上的光线的四种主要命运（散射、透射、吸收、反射）。理解和使用这些行为是机器视觉照明设计的核心。散射和反射是我们关心的，如图 2 所示。

图 2 光亮表面的平坦部分使部分光束以与入射角相同的角度沿相反方向反射。反射光束非常强烈。闪亮的表面有点像镜子。如果您将眼睛放在光束中并观察表面，您会看到光源的图像而不是产品的图像。一个常见的名词是眩光。 光照下的暗色卡将光转换成工件该部分的任何颜色，并将其散射到各个方向。

在任何给定的接收点接收的到的散射光，都比来自该点的反射光弱得多。 第一个检查任务是测量我们放入色轮上的部分的折痕/凹痕的大致长度，看它是否严重到足以拒绝产品。虽然按照大多数标准，图 1 所用的照明效果不错，但对于此任务而言，它可能是最差的照明效果；它使凹痕完全不可见。但是，如果我们将卡片交给您，您将直观地知道如何创建合适的照明解决方案来完成任务。您可以在具有较大发射面积的房间中选择一个光源，例如 2' x 4' 的漫射天花板灯或让明亮的光线从外部进入的窗户。

将卡片平放，您可以看到其上光源发出的眩光，然后对其进行调整，使眩光覆盖整个感兴趣区域。这种调整创造了“简单规则”的差异化。该规则是，“好的地方亮，坏的地方暗。”您的视线图片将类似于图 3，其中眩光覆盖了整个图像。从那里，你的大脑或机器视觉程序可以很容易地通过亮度/暗度来区分缺陷并对其进行评估。眩光区域称为镜面照明解决方案。

图 3 您可能选择了最佳方法来为凹痕创建可靠、简单的规则区分，但还有其他方法。一种可能是以如此低的角度引入光线，以至于凹痕会为其内部区域产生阴影。这种效果是术语“暗场”的众多含义之一。另一种方法是将您的眼睛/相机放置在平坦表面不会产生眩光的位置，并依靠凹痕内的闪亮部分以正确的角度为您提供明亮的镜面反射（图 4）。

图 4 第二个任务是测量和验证黄色部分的面积。

为此，我们需要将黄色部分与其相邻部分分开。提前考虑，您将使用颜色分析软件工具来做到这一点。在随意的随机光线下，工件的某些区域会出现眩光。请注意图 3 中眩光区域中的颜色是如何难以看清的，这将导致机器视觉解决方案不够稳健。如果将卡片交给您，您会通过移动卡片直观地创建适当的照明解决方案，使感兴趣区域没有眩光，使其看起来如图 1 所示。然后您的机器视觉相机和软件可以轻松分离、测量并验证黄色区域。

以下是从该过程中学到的另外三个技巧： 1.与机器视觉过程的常见情况一样，设计从较晚的阶段开始，然后从那里倒退。这并不意味着预先设计整个程序。它确实意味着选择利用照明解决方案的程序的核心方法。对于我们的示例，这些是按颜色或亮度/暗度区分的软件工具。 2.在我们的主要解决方案中，我们并没有完全看到凹痕。我们看到的是一个缺少平面镜面反射的区域。 3.光源的性质最重要的是它的发射区域，即发光区域的几何形状。

平坦的表面使我们的颜色识别任务变得简单。表面都处于相同的角度，因此避免眩光更简单，而且平坦的表面不会在自身上产生阴影。对于更复杂的形状，这两种影响变得更难避免。一种技术是使用极其漫射的光源，从各个方向提供低水平的光。一个典型的例子是尺寸和位置合适的顶灯。它的表现就像外面的阴天，那里没有来自太阳的直射光，每一片天空都是一片被照亮的云（低级光源）。 人们凭直觉知道如何做的事情，他们往往不知道如何应用到机器视觉中。一位客户在读取光滑表面上的字符时遇到了问题，并寻求额外的机器视觉软件培训课程来解决这个问题。我们看到了图像并重现了这个问题，有人认为在相机上放一个环形灯是点亮它的好方法，这与任务所需的完全相反。我们关掉灯，把五金店的手电筒放在正确的地方，他们两年的问题就解决了。这进一步加强了将基本原则应用于照明设计的重要性。希望本文对大家提供了有用的介绍。  

编辑：黄飞