照明成像优化装置的制作方法

本发明涉及成像处理技术领域，特别是涉及照明成像优化装置。

背景技术：

传统针对产品表面缺陷检测，需要技术工人对产品目视检测。以磁瓦表面缺陷检测为例，传统采用的人工目测方法主要是基于人的眼睛，由于一些生理上的限制在一些细微的裂纹上很难检测出来，同时这种方法极易受到外部环境和身体状况的影响，通常会漏检，检测效率相对很低。

对此，有技术人员研究出了利用机器视觉技术，对磁瓦表面缺陷特征进行图像采集，利用图像处理软件处理图片信息，其采集的磁瓦表面图像如图1以及图2所示。由图1以及图2可以清楚发现此技术采用的成像技术成像不均匀且不柔和，缺陷与背景没有很明显的分离，干扰很多，这样会导致误检率高。

可见，一般机器视觉技术中无法准确对产品(成像对象)表面缺陷准确成像，导致机器识别技术对产品表面缺陷检测不准确。

技术实现要素：

基于此，有必要针对一般机器视觉技术中无法准确对产品(成像对象)表面缺陷准确成像，导致机器识别技术对产品表面缺陷检测不准确问题，提供一种照明成像优化装置提高对成像对象中表面缺陷的成像质量，保证机器识别技术能够对产品表面缺陷准确检测。

一种照明成像优化装置，包括第一光源、第二光源、第三光源、对第一光源发出光线进行柔光处理的第一柔光组件、对第二光源发出光线进行柔光处理的第二柔光组件、对第三光源发出光线进行偏振光滤除处理的第一偏振光滤除组件以及对射入外部成像设备光线进行偏振光滤除处理的第二偏振光滤除组件；

第一光源与第二光源相对且间隔设置于成像对象的两侧，第三光源朝向成像对象设置，且第三光源在成像对象所处平面的投影位于第一光源与第二光源之间，第一柔光组件设置于第一光源，第二柔光组件设置于第二光源，第一偏振光滤除组件设置于第三光源，第二偏振光滤除组件设置于外部成像设备。

本发明照明成像优化装置，包括第一光源、第二光源、第三光源、第一柔光组件、第二柔光组件以及第一偏振光滤除组件与第二偏振光滤除组件，第一光源与第二光源分别设置于成像对象的两侧，第三光源朝向成像对象，第一柔光组件与第二柔光组件分别设置于第一光源与第二光源，第一偏振光滤除组件和第二偏振光滤除组件分别设置于第三光源以及外部成像设备(例如相机)，第一光源、第二光源以及第三光源分别向成像对象发射光线，构成立体组合光源，第一柔光组件、第二柔光组件对第一光源与第二光源发出的光线进行柔光处理，第一偏振光滤除组件与第二偏振光滤除组件对光线进行偏振光滤除处理，通过光线柔和设计，有效减少了检测图像中的噪点，采用偏振光滤除技术使无缺陷位置的光强度减弱，减小了反光带宽度，增强了图像对比度，从硬件上提高成像对象中表面缺陷的成像质量，为稳定可靠的表面缺陷的视觉检测提供依据。

附图说明

图1与图2为传统机器视觉技术中不同亮度下采集的磁瓦表面图像示意图；

图3位本发明照明成像优化装置中组合光源的结构示意图；

图4为试验中本发明照明成像优化装置中组合光源打光条件下采集的磁瓦表面图像示意图；

图5与图6为试验中本发明照明成像优化装置中立体组合光源不同亮度打光且柔光处理条件下采集的磁瓦表面图像示意图；

图7为试验中本发明照明成像优化装置中立体组合光源打光、柔光处理且偏振光滤除处理条件下采集的磁瓦表面图像示意图；

图8为本发明照明成像优化装置其中一个实施例的结构示意图；

图9为本发明照明成像优化装置其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于详细解释本发明照明成像优化装置的技术原理以及实现的效果，下面将以磁瓦为成像对象，采用试验推进的方式，详细阐述本发明照明成像优化装置能够提高成像对象中表面缺陷的成像质量的理论依据以及相关试验数据。

在实际应用中，一幅成像质量佳的图像应当具体如下条件：1、对比度明显，目标与背景的边界清晰；2、背景尽量淡化，与特征灰度值差值较大而且均匀，不干扰图像处理；3、与颜色有关的还需颜色真实，亮度适中，没有过度曝光。对此，在这里，本发明照明成像优化装置提供如图3所示的立体组合光源。下面将结合附图3，更详细解释由第一光源100、第二光源200以及第三光源300组成的立体组合光源具体相对位置关系。以成像对象所处平面为基准平面(平台)，第一光源100以及第二光源200分别设置于成像对象两侧，第一光源100所处平面以及第二光源200所处平面可以分别与基准平面垂直，成像对象放置于第一光源100与第二光源200之间，第三光源300朝向成像对象设置，第三光源300在基准平面的投影处于第一光源100与第二光源200之间。非必要的，第三光源300发出的光线正射于成像对象。更进一步的，立体组合光源还可以包括第四光源800，第四光源800与第三光源300相互背对设置，第四光源800向外部成像设备发出光线。

第一光源100、第二光源200以及第三光源300可以选用的光源包括白炽光源、金属卤素光源、荧光光源、led(light-emittingdiode，发光二极管)光源、红外光源、x射线光源等。其中白炽光源已基本淘汰不用，红外光源和x射线光源应用领域较为单一，金属卤素光源更多用于环境照明、展示照明等领域。机器视觉系统中最常用的光源是荧光光源和led光源，它们的基本技术性能指标如表1所示。

表1常用机器视觉照明光源的基本技术性能指标

荧光灯能够做成不同的形状及大小，发热少，寿命长。其灯管产生的漫射光，有利于测量具有反射能力的金属元件。传统的冷阴极荧光灯，显色性不好，寿命和可靠性都比较低。因为其白光是多种波长混合而成的，所以测量时非彩色ccd(chargecoupleddevice，电荷藕合器件图像传感器)对图像的识别精度会受到影响。三基色荧光灯的显色性能好，光效强，在彩色图像视觉检测中应用较多。led光源是第四代光源，已逐步替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，具有响应速度快、耗电量低、安全性高、使用寿命长、单元体积小、可控性高和绿色可回收等优势。在机器视觉领域，led光源作为照明系统的首选光源，应用范围日益广泛。随着半导体和包装材料的技术进步，led光源必将促进新型照明系统和设备设计制造的快速发展。目前，oled(organiclight-emittingdiode，有机发光二极管)——第五代光源，正不断地应用于照明显示行业。它是一种层状结构的薄膜固态发光器件，可制成大面积、可弯曲的光源。其内部驱动电压较低，功耗较小，节能效果显著。但是，oled的生产技术不成熟导致其成品率低下，价格高昂。机器视觉检测技术中所用的典型光源包括钨光灯、荧光灯、卤钨灯、放电灯、发光二极管灯及激光等.综合比较其优缺点，优选的，在这里可以选用亮度可调的多种led光源，它具有响应快、体积小、质量轻、寿命长、热量少、无噪声和无振动等优点。

在机器视觉技术中成像设备(相机)也是非常关键设备，非必要的，本发明照明成像优化装置可以包括成像设备，成像设备用于采集在立体组合光源打光环境下成像对象(产品)的图像数据。具体来说，成像设备本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号，选择合适的成像设备也是机器视觉系统设计中的重要环节，成像设备的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关，成像设备中镜头的基本功能就是实现光束变换(调制)，在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上，镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少30％的应用效果，通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源的作用至少有以下几种：1、照亮目标，提高目标亮度；2、形成最有利于图像处理的成像效果；3、克服环境光干扰，保证图像的稳定性；4、用作测量的工具或参照。

非必要的，本发明照明成像优化装置还可以包括控制器，控制器主要用于给各光源供电，控制光源的亮度并控制光源照明状态(亮\灭)，还可以通过给控制器解发送信号来实现光源的频闪，进而大大延长光源的寿命。控制器有模拟控制器和数字控制器，模拟控制器通过手动调节，数字控制器可以通过电脑或其他设备远程控制。

在上述立体组合光源打光环境下，拍摄磁瓦的成像图像如图4所示。由图4可见，拍摄的成像图像其能够很好地识别磁瓦表面的缺陷，但是表面纹理有稍许干扰，当光源强度增至很强，就会把缺陷变亮，导致无法呈现缺陷。磁瓦中表面缺陷检测想要达到较好的成像效果，则需要光源达到一定的强度，这样就会出现较多噪点，完全依靠软件算法去噪，不仅影响检测效率，而且极易造成误检，为了减少噪点，本发明照明成像优化装置在第一光源100与第二光源200上增设第一柔光组件400和第二柔光组件500，以提高光线柔和度，使其图像均匀，亮度适中，噪点明显减少，增设柔光组件后拍摄磁瓦成像图像如图5所示。

非必要的，第一柔光组件400与第二柔光组件500均可以选择柔光纸。由于不同厚度柔光纸进行柔光处理的效果不相同，对此，再次进行试验发现，若在光源上覆盖一层厚度小于或等于0.1毫米的柔光纸，能够有效高光线柔和度，使其图像均匀，亮度适中，噪点明显减少，其中，以选用0.1毫米厚的柔光纸效果最佳，若在led光源上覆盖一层厚度大于0.1毫米的柔光纸进行成像照明，其透射光线较弱。因此，在本发明照明成像优化装置中，第一柔光组件400与第二柔光组件500均采用柔光纸，柔光纸分别覆盖于第一光源100的镜面位置与第二光源200的镜面位置，且柔光纸的厚度小于或等于0.1毫米，最佳实施例中，柔光纸厚度为0.1毫米。

继续试验发现，在柔光处理后的立体组合光源环境下拍摄磁瓦成像图像中虽然噪点明显减少，能够基本上分辨出成像对象表面缺陷，但是其图像中存在如图6所示的一道道光带。光带宽度直接影响图像的有效检测区域，因此需在保证图像质量的前提下，尽量减小光带的宽度。本发明照明成像优化装置通过光学理论分析，在第三光源300以及外部成像设备中增设偏振光滤除组件，采用偏振光滤除技术减小光带宽度，以实现增强图像对比度的目的，具体来说，偏振光滤除组件可以包括偏振片。

一般地，物体表面反射成分主要由漫反射叶瓣、镜面叶瓣和镜面尖峰构成，其分布情况与反射表面的粗糙度相关。对于磁瓦表面有缺陷的位置，其表面粗糙度远大于入射光线波长，反射成分中以漫反射叶瓣为主，镜面叶瓣和镜面尖峰较少，可视为漫反射，对于磁瓦表面无缺陷的位置，其表面粗糙度远小于入射光线波长，反射成分中以镜面叶瓣和镜面尖峰为主，漫反射叶瓣较少，可视为镜面反射。镜面反射可以保持光线的偏振性，而漫反射可使偏振光变为自然光。

根据马吕斯定律，若原始入射光的振幅为a0，则入射光强度为：

i0＝a0²。

当线偏振光垂直入射到偏振片上时，其电矢量振动方向与偏振片透振方向的夹角为α，电矢量与偏振片透振方向一致的平行分量ap能够透过偏振片，而电矢量与偏振片透振方向垂直的分量an被偏振片吸收滤除。因此，其透射光强度为：

i＝ap²＝(a0cosα)²，即，i(α)＝i0cos²α。

自然光通过偏振片后的透射光强度为：

i(α)＝0.5i0。

在没有偏振片时，竖直光源发射的光为自然光，无缺陷位置和缺陷位置反射的光均为自然光。假设接收和反射的光的损失率分别为k和t。

当竖直光源的光强度为iil＝α时，磁瓦接收的光强度为：

iol＝(1-k)α。

镜头接收无缺陷位置镜面的反射光强度为：

ipl＝(1-t)*(1-k)α。

镜头接收缺陷位置镜面的漫反射光强度为：

iql＝(1-t)*(1-k)α。

假设此时能够基本分辨出光带以外的缺陷，成像对象表面(磁瓦表面)上强反光光带的宽度为b，则光带宽度正比于镜头接收的无缺陷位置镜面的反射光强度为：

b1∝ip1＝(1-t)*(1-k)α。

当竖直光源和镜头都加装偏振片时，竖直光源变为偏振光，无缺陷位置为镜面反射，其反射光是偏振光，有缺陷位置为漫反射，其反射光为自然光。假设接收和反射的光的损失率分别为k和t，则当增大光强度到ii2＝4α时，磁瓦的光强度为：

io2＝0.5(1-k)*ii2＝2(1-k)α。

镜头接收无缺陷位置镜面反射的偏振光强度为：

ip2＝(1-t)io2cos²α＝2(1-t)(1-k)acos²α。

镜头接收缺陷位置镜面反射的自然光强度为

iq2＝0.5(1-k)io2＝(1-t)(1-k)a＝iq1。

光带宽度为：

b2∝ip2＝2(1-t)(1-k)acos²α。

令

ip2＜ip1＝(1-t)(1-k)a。

求得45°＜α＜135°，b2＜b1。此时，镜头接收的缺陷位置反射光的强度足够大，为(1-t)*(1-k)a，满足缺陷成像的要求，但镜头接收的无缺陷位置反射光的强度小于(1-t)*(1-k)a，由b1∝ip1＝(1-t)*(1-k)α可得：光带宽度小于未加偏振片之前的光带宽度。可见，在竖直光源(第三光源300)和镜头前加装偏振片，并通过合理旋转偏振片，可以使得镜头接收的缺陷位置镜面反射的光强度不变，而无缺陷位置镜面反射的光强度变弱。

采用偏振光滤除技术有如下优点：

1、增大可检测范围

在不削弱缺陷识别能力的情况下，减小光带宽度，增加图像的可检测范围。

2、增大图像对比度

成像时，在缺陷位置的光强度不变的情况下，降低无缺陷位置的光强度，能够有效增加图像的对比度。

3、减小噪点

由于降低了无缺陷位置的光强度，所以有效滤除了成像对象表面的无缺陷位置的噪点信号。采用偏振光滤除技术后光带宽度明显减小.由公式和实验可得：当α＝90°时，光带最窄，但图像最暗，影响检测效果；当α＝70°时，光带宽度比α＝90°时稍有增加，图像质量较好，可以对大部分缺陷进行识别；当α＝50°时，图像柔和度、亮度均有所改善，而且可以有效识别暗区的缺陷，其光带宽度比加偏振片前也有明显减减小，成像效果最优。加偏振光滤除组件(偏振片)之后的图像如图7所示。

如图8所示，本发明照明成像优化装置包括第一光源100、第二光源200、第三光源300、对第一光源100发出光线进行柔光处理的第一柔光组件400、对第二光源200发出光线进行柔光处理的第二柔光组件500、对第三光源300发出光线进行偏振光滤除处理的第一偏振光滤除组件600以及对射入外部成像设备光线进行偏振光滤除处理的第二偏振光滤除组件700；

第一光源100与第二光源200相对且间隔设置于成像对象的两侧，第三光源300朝向成像对象设置，且第三光源300在成像对象所处平面的投影位于第一光源100与第二光源200之间，第一柔光组件400设置于第一光源100，第二柔光组件500设置于第二光源200，第一偏振光滤除组件600设置于第三光源300，第二偏振光滤除组件700设置于外部成像设备。

本发明照明成像优化装置，包括第一光源100、第二光源200、第三光源300、第一柔光组件400、第二柔光组件500以及第一偏振光滤除组件600与第二偏振光滤除组件700，第一光源100与第二光源200分别设置于成像对象的两侧，第三光源300朝向成像对象，第一柔光组件400与第二柔光组件500分别设置于第一光源100与第二光源200，第一偏振光滤除组件600和第二偏振光滤除组件700分别设置于第三光源300以及外部成像设备(例如相机)，第一光源100、第二光源200以及第三光源300分别向成像对象发射光线，构成立体组合光源，第一柔光组件400、第二柔光组件500对第一光源100与第二光源200发出的光线进行柔光处理，第一偏振光滤除组件600与第二偏振光滤除组件700对光线进行偏振光滤除处理，通过光线柔和设计，有效减少了检测图像中的噪点，采用偏振光滤除技术使无缺陷位置的光强度减弱，减小了反光带宽度，增强了图像对比度，从硬件上提高成像对象中表面缺陷的成像质量，为稳定可靠的表面缺陷的视觉检测提供依据。

具体来说，第一柔光组件400与第二柔光组件500均包括柔光纸，柔光纸分别覆盖于第一光源100的镜面位置与第二光源200的镜面位置，优选的柔光纸的厚度小于或等于0.1毫米，柔光纸厚度最佳为0.1毫米。第一偏振光滤除组件600与第二偏振光滤除组件700均包括偏振片，偏振片分别设置于第三光源300的镜面位置以及外部成像设备中镜头的镜面位置，偏振片包括当线偏振光垂直入射时，电矢量振动方向与透振方向的夹角小于或等于70度的偏振片，优选的，偏振片包括当线偏振光垂直入射时，电矢量振动方向与透振方向的夹角为50度的偏振片。

非必要的，如图9所示，第一光源100、第二光源200以及第三光源300均为led光源，第一光源100与第二光源200为条形led光源，第三光源300为环形led光源。本发明照明成像优化装置还包括灯源控制器，灯源控制器分别与第一光源100、第二光源200以及第三光源300连接，灯源控制器用于控制用于给光源供电，控制光源的亮度并控制光源照明状态(亮\灭)，还可以通过给控制器解发送信号来实现光源的频闪，进而大大延长光源的寿命。

如图9所示，在其中一个实施例中，本发明照明成像优化装置还包括第四光源800，第四光源800与第三光源300相互背对设置。非必要的，第四光源800为圆顶led光源。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。