兩種常用光源在機器視覺檢測中的對比與選用

劉航鋮 嚴小軍 惠宏超

摘 要：照明系統是機器視覺檢測的關鍵部分，對視覺檢測的精度有重要影響，不同的光源發光特征與原理不同，具有不同的使用環境。本文從工程應用出發，對環形光源與平行背光源兩種視覺光源進行了對比，分別闡述了優點與不足，并為工程中光源的選用提出了建議。

關鍵詞：機器視覺;照明系統;精密檢測

Abstract：Lighting system is the key part of machine vision inspection，which has an important impact on the accuracy of visual inspection.Different light sources have different luminous characteristics and principles，and have different use environment.Starting from the engineering application，this paper compares the annular light source and the parallel backlight source，respectively expounds the advantages and disadvantages，and puts forward suggestions for the selection of light sources in engineering.

Key words：machine vision;lighting system;precision testing

1 緒論

在精密自動裝配過程中，機器視覺檢測通過識別零件輪廓，進而確定軸孔零件中心的方法來實現零件的對位[1]，照明系統作為視覺檢測的關鍵部分，對零件的輪廓的識別精度有顯著影響。常用的照明系統通常有環形光源、平行光源、同軸光源等，在機器視覺檢測領域常用的兩種照明系統分別為環形光源正面照射與平行光源背面照射，其光照特性、適用場景與優缺點均有不同，因此需要針對不同的工程應用環節對光源的使用進行選擇。

本文通過對兩種光源的優缺點與應用場景的分析，對不同條件下光源的選用提出了有針對性的建議。

2 環形光源

2.1 環形光源簡介

如圖1所示，環形光源通過其結構設計，可以實現高亮度、高均勻性的擴散照明，可以提供不同照射角度與不同的顏色組合，在各種檢測領域具有較強的通用性，在工作過程中一般被放置在被檢測零件的正前方，CCD相機接收零件被光源照射后的反射并成像。

2.2 環形光源的優勢與不足

在工程應用場景中，環形光源具有下列優勢：

（1）能與相機一起安裝在被檢測零件的同一側，可節約系統空間，降低安裝成本;

（2）可自由定制光源的照射角度與光源顏色，通過定制可以分別滿足低角度打光或高角度打光的要求，在對零件表面反射角及照射光波長有一定要求的情況下，環形光源具有顯著的優勢;

（3）如圖2所示，環形光源能有效突出輪廓的表面特征，圖像檢測的對比度高，對于零件表面的缺陷、符號及特殊構造有良好的檢測效果[2]。

（4）環形光源價格較為便宜，厚度可以定制，便于采購與安裝。

在工程應用場景中，環形光源存在下列不足：

（1）在檢測尺寸較小的圓柱或方形零件時，環形光源正面照射會引起零件非檢測部位的反光，在被檢測區域形成干擾，降低檢測精度;

（2）在突出零件表面輪廓特征的同時，環形光源也容易受到環境中非檢測對象的干擾，如圖3所示，環形光源照射易在邊緣輪廓處形成鋸齒形結構，這會導致機器視覺檢測無法滿足高精密圖像處理與檢測的需求。在裝配系統的實際應用中，如采用常規機器視覺使用的CCD相機，環形光源檢測對于角度檢測的絕對精度在0.3°左右，對于尺寸檢測的絕對精度大于0.05mm[2-3]，不能滿足一般精密裝配中0.01～002mm的精度要求。

（3）環形光源照射方式下，相機接收的光線為漫反射光線，存在邊界效應，其對輪廓成像的一致性不足。

3 平行光源

3.1 平行光源簡介

如圖4所示，平行光源內部經特殊設計，可以發出平行光對零件進行照射，在使用過程中通常采用背光照射，將光源與CCD相機沿零件所在位置對稱放置，相機直接接收光源光線，無反射過程，所成的圖像為零件輪廓在光照下的陰影。

3.2 平行光源的優勢與不足

在工程應用場景中，平行光源具有下列優勢：

（1）平行光源所成像的輪廓一致性強，輪廓邊緣不受漫反射及環境影響，幾乎不存在鋸齒狀輪廓失真的問題。如圖5所示，同一零件在平行光源背面照射條件下，其邊緣輪廓要顯著清晰于光滑與環形光源正面照明。

（2）在機器視覺檢測中，使用平行光源背面照射時，輪廓檢測的精度較高，在理想條件下輪廓檢測精度小于1μm[4]，在采用常規CCD相機的情況下，精度小于0.01mm[5]，在有較高精度要求的檢測環境中可以發揮重要作用。

（3）平行光源照射方式下，相機接收的光線為平行光，避免了漫反射，不存在邊界效應，其對輪廓成像的一致性較好。

（4）在需要多角度同時打光時，平行光源具有良好同軸性，便于在不同位置安排多角度光源，安裝空間較好設計。

在工程應用場景中，平行光源具有下列不足：

（1）平行光源體積、長度均大于環形光源，且在安裝時不能與鏡頭同時處于被檢測對象的一側，這導致在采用平行光源背面照明方法時，結構設計較為困難，往往需要較大安裝空間才能實現機器視覺檢測的相關功能，成本較高。

（2）平行光源背面照明時，被檢測零件在相機中所成的像是光線被阻擋后陰影的輪廓，但由于待檢測的零件無法保證完全豎直，當零件存在不確定的小角度傾斜，采用平行光源背光照明時將出現如圖6所示的光路，所成的像分別對應零件上下端面的輪廓，這將超出鏡頭允許的景深范圍，導致無法采集到清晰的圖像，使平行背光源在孔零件定位的工程應用中存在困難。

（3）平行光源本身價格較貴，為確保光線的平行度，對相應機器視覺檢測系統中工裝的精度也具有很高的要求，使得檢測系統整體成本偏高。

4 兩類光源的對比與選用

4.1 實驗對比

使用長40.00mm，外徑30.00mm，內棱直徑20.02mm的孔零件進行機器視覺檢測，以零件內棱為被檢測輪廓，對前文所述不同光源條件下機器視覺的檢測精度進行對比，實驗結果如表1所示：

實驗顯示，平行光源背面照明在輪廓檢測精度上，要優于環形光源正面照明，更加適用于需要精密檢測的對象。

4.2 選型建議

從上文的對比可以分析得知，環形光源正面照明情況下，機器視覺檢測系統安裝方便，易于檢測零件表面特征，成本較低，但精度指標稍差;在平行光源背面照明情況下，機器視覺檢測系統精度指標較高，圖像質量好，但安裝不易成本較高，同時存在一定的檢測條件限制。

因此，可以提出以下光源選型的建議：

（1）在精密裝配領域，對機器視覺輪廓檢測精度要求較高時，優先選用平行光源，同時需對工裝進行精巧設計，避免出現零件傾斜導致檢測困難。

（2）在零件缺陷檢測及表面特征識別領域，優先選用環形光源，能夠更好地突出零件表面特征，還可以根據所需檢測的表面特征選擇定制合適的照射角度，提高機器視覺檢測的魯棒性。

（3）在機器視覺檢測系統中，若被檢測零件與多自由度運動機構連接，則在零件出現傾斜時，運動機構可矯正傾斜角，此時選用平行光源可避免無法檢測的情況。在工程應用涉及裝配的環節中，通常單個零件固定，另一零件與多自由度機器人連接進行裝配，考慮固定零件一般位于底座之上，缺乏安裝平行光源的條件，這種情況下可分別對固定零件使用環形光源正面照射，對連接與多自由度機器人的零件使用平行光源背面照射，最大程度優化機器視覺檢測系統的精度。

（4）在所需精度不高，成本與空間限制較大的場合下，優先選用環形光源，同時其照射角度需根據零件特征妥當選取。

5 結語

照明系統作為機器視覺檢測系統的關鍵部分，對視覺檢測結果影響很大。本文通過分析兩種常用光源的結構特征、工程中的一般使用方式及各自的優劣點，提出了不同場合下光源選型使用的建議，可為工程技術人員對機器視覺檢測系統的設計提供參考。

參考文獻：

[1]朱博文，馬立，陳韋男，華曉青.自動軸孔裝配系統的現狀與關鍵技術[J].現代制造工程，2019（05）：156-161.

[2]魏東辰，嚴小軍，惠宏超.基于目標紋理的機器視覺轉角檢測方法[J].導航與控制，2020，19（03）：86-94.

[3]徐向東.微型懸絲擺式加速度計慣性組件裝配設備研制[D].大連：大連理工大學，2019.

[4]劉長紅，徐杜，蔣永平，等.幾種光源對光電尺寸檢測精度影響的實驗研究[C].中國光學學會，中國儀器儀表學會.第三屆全國光機電技術與系統集成學術學會第十三屆全國光電技術與系統學術會議論文集.2008：271-279.

[5]王澤.無縫鋼管直徑測量與表面缺陷檢測系統研究[D].桂林：廣西師范大學，2019.

作者簡介：劉航鋮（1996— ），男，漢族，四川成都人，碩士研究生，研究方向：機器視覺與精密檢測。