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机器视觉照明如何满足特定成像的应用要求?


时间:2019-11-08

应用领域:特定成像


   为机器视觉应用选择正确的照明方式,可以提高被检测物体的特征与其背景之间的对比度,同时还可最大化信号、曝光、均匀性和噪声抑制特征。因此,当机器视觉系统采用正确的照明方式时,诸如条形码读取、测量和产品 识别等任务执行起来会更加容易——系统将变得更可靠、 更准确且可重复性更好。

   随着机器视觉市场的成长和不断扩展,当今应用所需要的照明技术和产品也必须与时俱进。正是认识到这一点, 近年来许多机器视觉照明公司开发了专门针对特定成像应用的照明技术和产品。

多光谱和高光谱成像

   高光谱成像和多光谱成像系统可用于产品的内部缺陷检测、液体识别或食品检测等应用。尽管这种多光谱和高光谱成像技术已经被证实非常有用,但是针对多光谱和高光谱成像的照明依然面临挑战,因为必须要克服传统 LED 光源的窄光谱带。

   为此,一些公司专门为此类应用开发了照明设备,比 如 Metaphase Technologies 公司。该公司的高光谱 LED 照明系统曾荣获“Vision Systems Design 2018 创新奖”金奖,它专为高光谱相机而设计,可提供高光谱(400nm 至 NIR)和宽带 SWIR(1000~1700nm)照明产品,此外还可以定制不需要全光谱的产品。

   针对多光谱成像应用,ProPhotonix 公司提供的 COBRA MultiSpec LED 线 光 源( 荣 获“Vision Systems Design 2018 创新奖”银奖)可配置 2-12 个波长的 LED, 光谱范围365 ~ 1500nm。针对 SWIR 应用,EFFILUX 公司(CCS 集团的一部分)也在其 LED 照明产品线中增加了多光谱产品。

   Integro Technologies 公司首席视觉系统架构师 David Dechow 表示 :“机器视觉照明行业仍在寻找方法推动成像组件的发展,使之更好地用于机器视觉成像。现在很多公 司专注于先进照明技术的开发,使之用于机器视觉应用中的高质量成像,例如在单色光源中提供更多波长的柔性照 明系统。”

    他补充说,“满足这种应用需求的例子有很多,包括波长范围在 800~950nm 之间的近红外(NIR)光源,400nm 到 NIR波长范围内的高光谱 LED 系统,以及 900~2500nm 之间的SWIR 光源,尽管我还没见过波长超 过 1650nm 的光源。”

计算机成像

   在机器视觉这个前提下,计算机成像指的是结合计算和光学编码的数字图像捕获和处理技术。该技术包括在不同光照条件下或不同曝光下捕获一系列输入图像特征,并通过软件组合图像,以创建出一个图像质量得到增强或提取出某些特征的输出图像,例如那些可实现特定机器视觉任务所需要的特征。

   基恩士(Keyence)公司凭借其 LumiTrax 技术(荣 获“Vision Systems Design 2015 创新奖”金奖)将基于 CMOS 的高速相机、局部 LED 照明以及先进的检测算法 集成到一起,创建出了一套“用于检测零件表面上的特征、形状和读取文本信息”的解决方案 (见图 1)。LumiTrax 使用高强度、多 向性 LED 照明,可捕获多达 16 种不 同色彩的图像(或单色图像),并分 析出每个像素的相对亮度,以达到去 除背景表面不规则图案的目的。该公司提供的三种不同型号的 LED 产品, 就是专为完成这类任务而设计的。


   基恩士产品销售总监 John Sklarz 说道 :“LumiTrax 的开发旨在过滤掉 制造过程中自然发生的、可接受的变 化,最终通过提取其中的关键特征, 以减少被误标为废品的良品数量。”

   CCS 继其 LSS-2404 这款开放式 架构、软件可编程的照明控制器(荣 获“Vision Systems Design 2018 创 新 奖”金奖)之后,陆续推出了一系列 专用于计算机成像的产品。LSS-2404 可与公司专为计算机成像应用设计的 LED 光源结合使用,它们的形式包括 环形灯、条形灯、全彩、多光谱和分段全彩格式。

   此外,该控制器还附带一个软件开发包,使开发人员能够构建符合计算机成像要求的应用,如立体视觉、 扩展景深(见图 2),明场 / 暗场和高 动态范围(HDR)。


   “计算机成像是一种不断扩展的 技术,可以为机器视觉系统创建更好 的或者以前不可能实现的图像。”CCS 公司高级技术顾问 Marc Landman 说 道,“如今有大量关于计算机成像或 multi-shot 成像技术的案例用于改善 工业视觉系统,这些应用可提供更高 的对比度、更高分辨率的色彩、多光 谱特征、扩展景深、分段式 3D 信息 和组合照明。”

   Marc Landman 补充道,“通过计 算机成像,系统设计人员开始以新的 方式思考如何为棘手的成像问题创建 解决方案。”

Advanced illumination 公 司 的Quad 控 制 器 系 列、DCS-400E 和 DCS-800E,也是专为类似应用而 设计的,这些应用包括立体视觉、 HDR、多光谱成像、扩展景深和连续 多光束 / 多轴成像。这些控制器有四 通道和八通道可供选择,允许设计人员通过 GUI 软件界面对灯光排顺进 行编程。该系统使用公司提供的多种照明产品,包括分段式环形灯、多波长灯、多轴单色灯(例如暗场和明场) 以及多个单独的光源。

   Advanced illumination 公 司 总 裁 兼首席执行官 John Thrailkill 说,“我 们当初开发 Quad 控制器系列时,重 点是为市场带来更易于使用、且更具 成本效益的解决方案。如同我们所有 的控制器一样,它们也使用我们专有 的 SignaTech 即插即用系统,让客户 的光源能以峰值功率工作而无损坏的 风险。”

   Smart Vision Lights 公 司 提 供 的 LLM Multiple Quadrant 照 明 管 理 器可用于光度立体视觉应用,它曾获“Vision Systems Design 2018 创新奖” 银奖。通过使用管理器改变四个光源 的连续照明顺序,由单一相机拍摄到 的连续图像,可用于确定物体表面上 每个图像点的表面定向。

3D成像

   任何部署 3D 技术的成像方法都需要某种类型的照明,无论是来自受 控光源还是自然环境光。例如,3D 光度立体计算机成像使用了名为“明 暗恢复形状(简称 SFS)”的技术, 其将目标物体的形状与其 2D 纹理分 离。目标物体从几个不同的方向被照 亮,并且通过单一相机捕获图像。根 据这些图像的明暗差异,可以计算出 被照射物体的表面定向和表面纹理。

这种技术在 LumiTrax 系统中可见一 斑。

   Smart Vision Lights 公 司 推 出 的 RM75-4Z 和 RM140-4Z 系 列 LED 光 源,就是专为实现这种成像技术而设 计的(见图 3)。这些迷你环形灯专 门为暗场环形应用和径向照明配置而 设计,它与包含 4ZMD 四通道 LED 驱动器的套件一起出售 ;该套件可以独立或同时以任何组合方式和强度 水平,控制多达四个独立的光源或照 明区。当与公司的可编程 LED Light Manager 连接时,该驱动器可为光度 测定和多光源应用单独提供频闪功 能——每个光通道可以设置为连续开 / 关,或者介于两者之间的任何强度 等级,以及 OverDrive 频闪模式。


   Smart Vision Lights 公 司 总 裁 Dave Spaulding 表 示,“4-zone 灯 和 4ZMD 驱动器专与康耐视的 In-Sight 相机配合使用,从而使它们成为那些 希望充分利用康耐视 SurfaceFX 软件 的用户的理想解决方案。”

   在 3D 结构光系统中,将窄带光 投射到 3D 表面,可以产生一条照明 线,当从不同于施加照明线的角度成 像时,此照明线出现失真。分析这些反射线的形状,可用于从结构上重建 物体的表面形状。

   Opto Engineering 公 司 的 LTPR 系列专门为这种应用而设计,它由不 同的 LED 投影仪组成,提供三种功 率(3W、10W、90W)。 当 作 为 3D 轮廓测量、立体视觉或对准系统的一 部分时,与 C-Mount 兼容的投影仪可 以实现一系列应用,如利用机器人从 箱子中拾取零部件、连接器引脚高度 检测,以及药物泡罩大小的视觉控制。


   Opto Engineering 公司照明产品部产品经理 Massimo Castelletti 表示, 在 3D 成像应用中,这些投影仪比激 光照明更有优势。

   “使用激光照明时,在线路横截 面和沿着线宽方向上的照明都会衰减。激光器发射的光线更厚,边缘 更模糊,并且伴有衍射和散斑效应。” 他解释说,“这些投影仪的设计旨在 提供比激光照明更细的线条、更锐利 的边缘以及更均匀的照明效果,与此 同时在反射物体上工作时可以提供更 好的照明效果。”

   PTPR 系列图样是专门为 LTPR 投影仪系列而设计的,通过拧松固定 图样的扣环,可以轻松更换图样。图 样的外径为 21mm,有效投影区域为 直径 11mm 的圆;图样可以是标准的, 也可以根据 3D 轮廓测量、立体视觉 和对准等应用进行定制。

冲洗环境

   在食品检测环境中冲洗非常重 要,一个机器视觉系统的所有组件(包括照明)必须能够承受这些条件。虽 然在这样的环境中部署照明并不是什 么新鲜事儿,但是依然有很多照明公 司已经专门为要求冲洗的食品检测应 用开发出了专用照明产品。

   例 如,Spectrum illumination 公 司推出的 Monster Washdown 圆顶灯, 能达到 IP68 的防护等级,其采用 316 不锈钢和符合 FDA 标准的塑料制成, 确保产品能用于食品级环境中。灯 本身是一个“阴天照明”的LED 圆顶灯,能提供九种颜 色和红外光源。在使用时, 将相机安装在圆顶灯上方, 透过圆顶灯顶部的孔向下 观看,目标物从圆顶灯下方 通过,并接收到间接照明光, 这有助于消除高反射表面产生的眩光。

   Smart Vision Lights 公 司 还 提 供多款用于恶劣环境和冲洗环境的 LED 灯,包括 2019 年新推出的 DFLW- 200-4Z 暗场冲洗用环形灯。该灯提 供两种封装外壳——不锈钢或阳极氧 化黑色铝,它配置的微透镜薄膜可 将 LED 光束以 25°角导向被测物体, 从而延长光线的工作距离,同时保持 光线的强度和均匀性。这款 IP68 级的光源与一个包含外置 Multi-Drive 驱动器的套件一起销 售,其能工作在连续或频闪模式。

   Spaulding 解释说,“食品和饮料应用是机器视觉市场 中发展最快的领域之一,因为这些市场的客户高度关注质 量和监管问题。针对这个重要的细分市场,DFLW-200-4Z(4-Zone)的推出,进一步拓展了我们针对食品检测应用 的产品线。”


  Advanced illumination 公 司 UltraSeal 系 列 产 品 中 的 BL245 背光源(见图 5),通过了 IP69K 认证。这些光源 采用专有的镍涂层(符合 FDA 标准),确保腐蚀性冲洗溶 液和高压蒸汽清洗操作不会对灯体产生负面影响。通过嵌 入式安装和密闭式漫射器,这款无缝结构的背光可适用于 食品和医药制造应用,也可用于其他需要密封及清洁组件 的恶劣环境中。

   其他能够提供面向冲洗环境或是其他防水环境应 用的机器视觉照明产品公司还包括 Banner Engineering、 MORITEX Corporation、Omron Microscan、OPT Machine Vision 和 TPL Vision。