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視覺感測器的有色照明與濾鏡概覽

machine vision lighting and filters

使用機器視覺系統檢測組件、引導機器人手臂及將貨件分類的製造廠商,須面對業餘攝影愛好者眾所周知的一事:一切取決於適當照明。

問題是工廠現場不利於攝影。正午時分照入廠房窗內的光線過強,但在第二班次上班打卡時,卻會投下過多陰影。

這些奇特照明變化的解決方案在於採用機器視覺濾鏡、分散照明,還有許多其他照明手段,可確保機器視覺系統產生工廠自動化檢測所需的清晰數位圖像。

自動化工廠常見的照明難題

就像所有數位相機一樣,機器視覺相機使用鏡頭將光線反射到採用數位訊號處理器 (DSP) 晶片的視覺感測器,將光波轉譯為可重現圖像的圖元。這些圖像可讓工業機器人識別組件,並依照生產順序將其移至適當位置。這些可變因素必須全部迅速並精準地互動,生產線才能維持以尖峰效率運作。

由於生產環境中的各項照明可變因素,這絕非易事。工業自動化環境中最常見的照明難題包括:

環境光線:工廠的環境光線明暗整天不時變動。像是焊接等作業產生的白熱氣流也會影響鄰近自動化生產流程的照明。

儘管採用調整相機快門速度和光圈寬度等的傳統修正方式能有所助益,但視覺系統也可以部署帶通濾鏡,只允許窄光譜的光線進入到相機的視覺感測器。如此可確保相機只會看見視覺系統所需看到的細節。

色彩:生產中的組件色彩可能會影響機器人透過相機看到組件,再予以處理的能力。在貨箱或包裝標籤上,同時存在會反射光線和吸收光線的色彩。這對物流公司的配送系統運作會有巨大影響。在電子產品製造業中,電線的色彩可對視覺系統傳送重要訊號。

機器視覺相機通常使用有色 LED 燈以在視覺上產生對比,並抵銷表面上的色彩影響。有色濾鏡可以增強或補足 LED 燈的效果。

有色光線對 OCR 檢驗的影響

反光:金屬與塑料的反光表面會產生過量光線的光點,而無法有效成像。但反光也有其好處:其可用來將光線重新導向,反射至原本無法以其他照明手段照亮的陰暗區域。

偏光濾鏡是修正反光的其中一種最佳方式。另一種手段稱為暗面照明,以小角度遮蔽表面上的光線,降低反光度。利用光線擴散的特性,讓光線散佈在物體上,減少直射在反光表面的光線數量。相機也可以特別朝某個角度照明,以發現反光區域中的瑕疵。

偏光板減少檢測圖像上的眩光

陰影:從任何角度投射的光線幾乎都會造成陰影,而降低機器視覺圖像的清晰度。三維立體組件 (例如,相對於二維產品標籤) 特別容易在數位相片中產生陰影。

雖然變換相機的裝設角度能夠解決某些陰影,但稱為高動態範圍 (HDR) 的圖像技術越來越廣受採用。HDR 相片以數位方式將明亮區域變暗,並讓陰暗區域變亮,讓整體在視覺上更為一致並減少陰影。

檢測圖像上的 HDR 對比度更明顯

角度:像是引擎缸體與排氣歧管等複雜的組件,很多角度都會形成許多照明難題。

改變裝設相機的角度,即可解決許多這類問題。以特定角度擺放組件、相機及光源,也有助於識別產品中的瑕疵。

表面缺陷:鑽孔機與銑床都會在組件上留下務必去除的毛邊。機器人焊接點可能會留下一塊多餘的熔化金屬。機器視覺相機必須要能將這些缺陷標示出來,以免之後造成問題。

擴散濾鏡可幫助將光線散佈在這些三維表面以識別異常。在平面上,暗面攝影可能會產生較佳的圖像。

尺寸與光程:無論在像是矽晶圓的微觀環境,或在像是商用飛機工廠的宏觀環境中,物件的尺寸都會造成大量照明難題。此外,相機與其檢測對象之間的光程會影響圖像品質與照明需求。

和長光程相比,短光程通常需要較少光線。因此,務必策略性地裝設相機,以讓機器視覺達到最佳效用。

硬體與軟體:歸根究柢,機器視覺還是要選擇適當的相機、鏡頭及軟體,才能為特定自動化需求產生最佳結果。例如,相機可以配備多個有色 LED 燈,以對組件的一部分投射藍光,並對另一部分投射紅光。配備液態鏡頭的相機沒有任何移動組件,而可降低維護成本。

有些應用需要紅外線或紫外線相機,擷取人類視覺光譜外的光線。高性能機器視覺軟體匯聚所有這些可變因素,成為全方位解決方案。

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