作者：曾旭博士
 

一、背景介紹
 

近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0及人工智能的發(fā)展，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中。工業(yè)4.0離不開智能制造，我國(guó)在2015年提出的“中國(guó)制造2025”宏偉計(jì)劃中，第一項(xiàng)戰(zhàn)略對(duì)策就是“推行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一環(huán)就是機(jī)器視覺(jué)。機(jī)器視覺(jué)是指通過(guò)機(jī)器來(lái)模擬人眼的功能，對(duì)客觀事物進(jìn)行信息提取，處理和分析，最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和判斷，最終交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中國(guó)是機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速的國(guó)家，目前已經(jīng)在工業(yè)，航天，醫(yī)療，交通，科研等諸多行業(yè)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

圖1 機(jī)器視覺(jué)代替人眼

 

二、目前機(jī)器視覺(jué)存在問(wèn)題

 

典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：光源，鏡頭，相機(jī)，圖像采集卡，軟件，監(jiān)視器，輸入/輸出等。對(duì)于光學(xué)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)中光學(xué)相關(guān)部件，比如光源，鏡頭，相機(jī)等的性能。此外，光學(xué)檢測(cè)要求的精度一般都較高，但是大多數(shù)相機(jī)在出廠時(shí)，并沒(méi)有專門針對(duì)光學(xué)檢測(cè)應(yīng)用進(jìn)行專門校準(zhǔn)，往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的精度達(dá)不到要求，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤差。

 

比方說(shuō)，如果將剛出廠的工業(yè)相機(jī)對(duì)著一個(gè)均勻照明的發(fā)光面進(jìn)行拍照，拍攝出的圖像四個(gè)角往往會(huì)出現(xiàn)暗區(qū)，這主要是由于相機(jī)鏡頭的余弦響應(yīng)造成的。此外，由于相機(jī)傳感器（CCD/CMOS）的非均勻性，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)均勻光場(chǎng)成像的時(shí)候，圖像的亮暗，顏色不均勻，如下圖所示。以上這些因素，都會(huì)導(dǎo)致在一些精密的光學(xué)檢測(cè)（比如平板顯示檢測(cè)）時(shí)，檢測(cè)結(jié)果和真實(shí)情況出現(xiàn)較大偏差。

 

圖2 校準(zhǔn)前相機(jī)平場(chǎng)響應(yīng)

 

除此之外，相機(jī)對(duì)于不同亮度的線性響應(yīng)也不同。由于相機(jī)輸出的信號(hào)是灰度值，并不具有真實(shí)的物理意義。因此，在做光學(xué)檢測(cè)（比如說(shuō)亮度檢測(cè)時(shí)），需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行線性度和亮度標(biāo)定，建立起相機(jī)灰度信號(hào)和真實(shí)亮度的關(guān)系曲線。

 

三、工業(yè)相機(jī)校準(zhǔn)解決方案

 

為了解決以上機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提高機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，尤其是AOI等光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的精度，歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì)EMVA提出了《EMVA1288：成像傳感器和相機(jī)性能表征標(biāo)準(zhǔn)》，其中介紹了如何對(duì)成像傳感器及相機(jī)的空間不均勻度，靈敏度，線性度和噪聲等一些列指標(biāo)進(jìn)行表征和校準(zhǔn)的辦法。其中明確寫到：“最好的均勻光源是積分球均勻光源”，且推薦“光源的均勻性要大于97%”。

 

圖3 藍(lán)菲光學(xué)相機(jī)平場(chǎng)校正方法

 

用戶在使用時(shí)，只需要相機(jī)對(duì)準(zhǔn)均勻光源的開口，拍攝一張圖像，再經(jīng)過(guò)算法進(jìn)行計(jì)算，就可以對(duì)相機(jī)的均勻性進(jìn)行校正，這一過(guò)程稱為平場(chǎng)校正。經(jīng)過(guò)均勻光源校準(zhǔn)后，相機(jī)的均勻性可以顯著提高。如下圖所示，為一個(gè)工業(yè)相機(jī)經(jīng)過(guò)積分球均勻光源校正前后相機(jī)的均勻性測(cè)試結(jié)果。從圖中可以很明顯看出，校正前相機(jī)的均勻性較差，中心場(chǎng)的響應(yīng)優(yōu)于周邊的響應(yīng)。校正后相機(jī)平面內(nèi)的響應(yīng)一致。

 

相機(jī)校正前

 

相機(jī)校正后

 

圖4 工業(yè)相機(jī)經(jīng)過(guò)藍(lán)菲光學(xué)LED 均勻光源系統(tǒng)平場(chǎng)校正前后對(duì)比

 

四、完美的積分球面光源

 

工業(yè)相機(jī)的精度決定了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，校準(zhǔn)光源的均勻性決定了工業(yè)相機(jī)的精度。越是均勻的積分球光源，經(jīng)過(guò)其校準(zhǔn)后得到的相機(jī)均勻性越高。根據(jù)積分球的原理，入射到積分球的光在積分球內(nèi)部進(jìn)行多次反射，最終在輸出端口得到亮度，色度都完全均勻的面光源。積分球的出光口均勻性主要取決于以下幾個(gè)方面：

 

1. 積分球內(nèi)壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分為朗伯反射，鏡面反射和混合反射。由積分球原理可知，積分球內(nèi)壁材料反射特性越接近朗伯特性，其開口處均勻性越高。此外，當(dāng)入射光是寬譜光時(shí)（比如白光），材料的光譜反射一致性決定了開口處的色度均勻性，材料的光譜反射率越一致，也就是對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的反射率越一致，開口處的色度越均勻。

 

2. 積分球的設(shè)計(jì)。如何設(shè)計(jì)積分球的尺寸，入射光的位置，擋板的位置和方向，都會(huì)影響積分球開口的均勻性。

 

藍(lán)菲光學(xué)積分球均勻光源LED-USS提供了一種超均勻，高動(dòng)態(tài)范圍，亮度/色溫均可精細(xì)調(diào)節(jié)的面光源。該積分球光源采用藍(lán)菲光學(xué)獨(dú)有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect，基于藍(lán)菲光學(xué)40余年的光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，精細(xì)的積分球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是機(jī)器視覺(jué)相機(jī)校準(zhǔn)的完美解決方案。其主要具有以下特點(diǎn)：

· 出光面超級(jí)均勻，均勻性大于99.5%

· 系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性高，穩(wěn)定性達(dá)0.1%

· 亮度線性可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度輸出

· 色溫動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出

· 自帶亮度監(jiān)控，實(shí)時(shí)觀測(cè)亮度輸出情況

· 軟件實(shí)現(xiàn)光源和探測(cè)器的全部控制，界面簡(jiǎn)單易用，可提供控制指令供二次開發(fā)。

· 系統(tǒng)還可定制各類色溫，亮度，單色光，大視場(chǎng)角等不同參數(shù)的光源

 

圖5 藍(lán)菲光學(xué)LED 均勻光源系統(tǒng)（LED-USS）及開口處光斑亮度分布

 

LED-USS是目前世界均勻性最高的面光源，其卓越的性能可以滿足EMVA1288要求的相機(jī)均勻度，線性度，信噪比，動(dòng)態(tài)范圍等諸多參數(shù)測(cè)試。是從研發(fā)到生產(chǎn)，各類工業(yè)相機(jī)的理想校準(zhǔn)光源。