作者：曾旭博士
 

一
、背景介紹
 

近年來，隨著工業4.0及人工智能的發展
，越來越多的自動化設備被廣泛應用於生產過程中。工業4.0離不開智能製造

，我國在2015年提出的“中國製造2025”宏偉計劃中，第一項戰略對策就是“推行數字化網絡化智能化製造”，erzhinengzhizaozhong，zuihexindeyihuanjiushijiqishijiao。jiqishijiaoshizhitongguojiqilaimonirenyandegongneng
，duikeguanshiwujinxingxinxitiqu，chulihefenxi，zuizhongshixianjiancehepanduan，zuizhongjiaogeijisuanjijinxingkongzhi。zhongguoshijiqishijiaochanyefazhanzuiweixunsudeguojia
，muqianyijingzaigongye，hangtian，yiliao，jiaotong，keyandengzhuduoxingyejinxingleguangfandeyingyong。

圖1 機器視覺代替人眼

 

二

、目前機器視覺存在問題

 

典型的工業機器視覺係統包括：光源，鏡頭，相機，圖像采集卡
，軟件，監視器，輸入/shuchudeng。duiyuguangxuejiancelaishuo，jiqishijiaoxitongdexingnengzhuyaoqujueyuxitongzhongguangxuexiangguanbujian，biruguangyuan
，jingtou，xiangjidengdexingneng。ciwai，guangxuejianceyaoqiudejingduyibandoujiaogao



，danshidaduoshuxiangjizaichuchangshi
，bingmeiyouzhuanmenzhenduiguangxuejianceyingyongjinxingzhuanmenxiaozhun，wangwanghuidaozhijiqishijiaoxitongdejingdudabudaoyaoqiu，jieguohuichuxianwucha。

 

比(bi)方(fang)說(shuo)，如(ru)果(guo)將(jiang)剛(gang)出(chu)廠(chang)的(de)工(gong)業(ye)相(xiang)機(ji)對(dui)著(zhe)一(yi)個(ge)均(jun)勻(yun)照(zhao)明(ming)的(de)發(fa)光(guang)麵(mian)進(jin)行(xing)拍(pai)照(zhao)，拍(pai)攝(she)出(chu)的(de)圖(tu)像(xiang)四(si)個(ge)角(jiao)往(wang)往(wang)會(hui)出(chu)現(xian)暗(an)區(qu)，這(zhe)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)相(xiang)機(ji)鏡(jing)頭(tou)的(de)餘(yu)弦(xian)響(xiang)應(ying)造(zao)成(cheng)的(de)。此(ci)外(wai)

，由(you)於(yu)相(xiang)機(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)（CCD/CMOS）的(de)非(fei)均(jun)勻(yun)性(xing)，也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)對(dui)均(jun)勻(yun)光(guang)場(chang)成(cheng)像(xiang)的(de)時(shi)候(hou)
，圖(tu)像(xiang)的(de)亮(liang)暗(an)，顏(yan)色(se)不(bu)均(jun)勻(yun)，如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。以(yi)上(shang)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)，都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)在(zai)一(yi)些(xie)精(jing)密(mi)的(de)光(guang)學(xue)檢(jian)測(ce)（比如平板顯示檢測）時，檢測結果和真實情況出現較大偏差。

 

圖2 校準前相機平場響應

 

除此之外，相機對於不同亮度的線性響應也不同。由於相機輸出的信號是灰度值，並不具有真實的物理意義。因此，在做光學檢測（比如說亮度檢測時）
，需要對相機進行線性度和亮度標定，建立起相機灰度信號和真實亮度的關係曲線。

 

三、工業相機校準解決方案

 

為了解決以上機器視覺係統中存在的問題，提高機器視覺係統

，尤其是AOI等光學檢測係統的精度

，歐洲機器視覺協會EMVA提出了《EMVA1288：成像傳感器和相機性能表征標準》，其中介紹了如何對成像傳感器及相機的空間不均勻度，靈敏度
，線性度和噪聲等一些列指標進行表征和校準的辦法。其中明確寫到：“最好的均勻光源是積分球均勻光源”
，且推薦“光源的均勻性要大於97%”。

 

圖3 藍菲光學相機平場校正方法

 

yonghuzaishiyongshi，zhixuyaoxiangjiduizhunjunyunguangyuandekaikou，paisheyizhangtuxiang，zaijingguosuanfajinxingjisuan，jiukeyiduixiangjidejunyunxingjinxingxiaozheng
，zheyiguochengchengweipingchangxiaozheng。jingguojunyunguangyuanxiaozhunhou，xiangjidejunyunxingkeyixianzhutigao。ruxiatusuoshi
，weiyigegongyexiangjijingguojifenqiujunyunguangyuanxiaozhengqianhouxiangjidejunyunxingceshijieguo。congtuzhongkeyihenmingxiankanchu，xiaozhengqianxiangjidejunyunxingjiaocha，zhongxinchangdexiangyingyouyuzhoubiandexiangying。xiaozhenghouxiangjipingmianneidexiangyingyizhi。

 

相機校正前

 

相機校正後

 

圖4 工業相機經過藍菲光學LED 均勻光源係統平場校正前後對比

 

四、完美的積分球麵光源

 

工(gong)業(ye)相(xiang)機(ji)的(de)精(jing)度(du)決(jue)定(ding)了(le)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)的(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)，校(xiao)準(zhun)光(guang)源(yuan)的(de)均(jun)勻(yun)性(xing)決(jue)定(ding)了(le)工(gong)業(ye)相(xiang)機(ji)的(de)精(jing)度(du)。越(yue)是(shi)均(jun)勻(yun)的(de)積(ji)分(fen)球(qiu)光(guang)源(yuan)
，經(jing)過(guo)其(qi)校(xiao)準(zhun)後(hou)得(de)到(dao)的(de)相(xiang)機(ji)均(jun)勻(yun)性(xing)越(yue)高(gao)。根(gen)據(ju)積(ji)分(fen)球(qiu)的(de)原(yuan)理(li)，入(ru)射(she)到(dao)積(ji)分(fen)球(qiu)的(de)光(guang)在(zai)積(ji)分(fen)球(qiu)內(nei)部(bu)進(jin)行(xing)多(duo)次(ci)反(fan)射(she)，最(zui)終(zhong)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)口(kou)得(de)到(dao)亮(liang)度(du)
，色(se)度(du)都(dou)完(wan)全(quan)均(jun)勻(yun)的(de)麵(mian)光(guang)源(yuan)。積(ji)分(fen)球(qiu)的(de)出(chu)光(guang)口(kou)均(jun)勻(yun)性(xing)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)以(yi)下(xia)幾(ji)個(ge)方(fang)麵(mian)：

 

1. jifenqiuneibicailiaodefanshetexing。cailiaodefanshetexingkeyifenweilangbofanshe


，jingmianfanshehehunhefanshe。youjifenqiuyuanlikezhi，jifenqiuneibicailiaofanshetexingyuejiejinlangbotexing
，qikaikouchujunyunxingyuegao。ciwai，dangrusheguangshikuanpuguangshi（比如白光），cailiaodeguangpufansheyizhixingjuedinglekaikouchudesedujunyunxing，cailiaodeguangpufanshelvyueyizhi，yejiushiduigegebochangdefanshelvyueyizhi
，kaikouchudeseduyuejunyun。

 

2. 積分球的設計。如何設計積分球的尺寸，入射光的位置，擋板的位置和方向，都會影響積分球開口的均勻性。

 

藍菲光學積分球均勻光源LED-USS提供了一種超均勻，高動態範圍，亮度/色溫均可精細調節的麵光源。該積分球光源采用藍菲光學獨有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect，基於藍菲光學40餘年的光學係統開發經驗
，精細的積分球結構設計

，是機器視覺相機校準的完美解決方案。其主要具有以下特點：

· 出光麵超級均勻
，均勻性大於99.5%

· 係統輸出穩定性高，穩定性達0.1%

· 亮度線性可調節，可實現從微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度輸出

· 色溫動態可調節，可實現從低色溫2700K到高色溫7500K的輸出

· 自帶亮度監控
，實時觀測亮度輸出情況

· 軟件實現光源和探測器的全部控製，界麵簡單易用
，可提供控製指令供二次開發。

· 係統還可定製各類色溫，亮度，單色光
，大視場角等不同參數的光源

 

圖5 藍菲光學LED 均勻光源係統（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麵光源，其卓越的性能可以滿足EMVA1288要求的相機均勻度，線性度
，信噪比，動態範圍等諸多參數測試。是從研發到生產，各類工業相機的理想校準光源。