機器視覺照明：技術、幾何佈局與如何選擇
大多數失敗的檢測專案並不是敗在演算法上。它們失敗是因為缺陷在影象裡從未真正可見，而任何模型都找不出相機沒有拍到的東西。照明就是決定這一點的環節，而它發生在任何一行軟體執行之前。
這是一份實用的機器視覺照明指南：有哪些照明幾何可選、如何從缺陷出發而不是從產品目錄出發做選擇，以及那些多年來悄悄損耗準確率的錯誤做法。
為什麼照明決定結果
相機記錄的是反差。當缺陷與周圍表面之間產生亮度差異時，它就可被檢出；沒有差異時就是不可見的。照明是唯一能控制這種差異的手段，因此在重要性排序上，它高於解析度、鏡頭選型和模型結構。
最直觀的方式是把同一個零件用兩種方式拍下來。
這兩幅圖之間軟體沒有任何變化。如果一個專案在誤判或漏檢上苦苦掙扎，照明是最先該查的地方，而不是最後。
值得了解的六種照明幾何
照明方案通常按光相對於零件和相機的來向來描述。六種佈置方式幾乎涵蓋了全部工業檢測場景。
漫射穹頂光
光同時從多個角度到達，從而抑制陰影和鏡面光斑。對於有紋理、啞光或曲面、希望材質均勻成像的場合是預設選擇。在顯現淺層起伏方面較弱。
環形光或同軸光
光沿相機光軸傳播，因此平整的鏡面表面會把光直接反射回來而顯亮，任何傾斜的部位都顯暗。在拋光金屬上表現出色，也適合在平面零件上找凹坑和刻字。
暗場光
光以很低的角度掠射零件，因此光滑表面保持暗色，只有邊緣、劃痕和凸起顆粒會把光散射進鏡頭。這是檢出細微表面缺陷、以及在難處理表面上讀取文字的最佳手段。
背光
光源置於零件背後，相機看到的是剪影。在尺寸測量、有無判斷以及孔或間隙檢查上無可匹敵，因為它產生的邊緣反差高且可重複。
定向光或條形光
從一側照來的光投下受控的陰影，使壓印、刻痕和表面起伏可以被測量。當特徵是高度差而不是顏色差時很有用。
多角度照明，有時稱為 2.5D
按順序採集多個照明方向的影象再加以合成，使系統推算出表面坡度而不只是亮度。正是這一點讓反光和鏡面零件變得可行，而不再是一場硬仗。
背光值得特別一提，因為它是唯一能把測量難題變簡單的照明幾何。
從缺陷出發選光，而不是從產品目錄出發
有用的問題不是哪種光最好，而是什麼物理屬性區分了不良品和良品，因為正是那個屬性決定了照明幾何。
| 良品與不良品的區別在哪 | 先試 |
|---|---|
| 形狀、尺寸或間隙 | 背光 |
| 光滑表面上的細劃痕或擦傷 | 暗場光 |
| 平面金屬上的凹坑、壓痕或刻字 | 同軸光或環形光 |
| 汙漬、色差或汙染物 | 漫射穹頂光 |
| 需要量化的凸起或凹陷起伏 | 定向條形光 |
| 光亮、曲面或鏡面零件上的任何問題 | 多角度照明 |
舉個例項。拋光表面上的細微刀痕是起伏差異，不是顏色差異，因此不管把漫射光調多亮都會把它沖掉。暗場光讓光滑表面保持暗色、只點亮會散射的部分，正是這種照明幾何能讓它顯現出來。
悄悄損耗準確率的五個錯誤
1. 依賴車間環境光
頂部照明會隨時間、季節、附近開門以及有人站錯位置而變化。每一種變化傳到模型那裡都表現為零件發生了改變。給工位加遮光罩，並控制它自己的光源。
2. 只調亮度而不改照明幾何
如果缺陷不可見，加大同一種光通常只會讓表面過曝、情況更糟。要調的變數不是亮度，而是角度。
3. 除錯完成後仍讓照明可調
在摸索方案階段，可調性必不可少；方案定下來之後它就是隱患。一旦好用，就用機械方式鎖死。在一種照明下訓練、在另一種照明下執行的模型，被問的其實是另一個問題。
4. 不把曝光與運動放在一起考慮
照明和曝光是同一個決策。短曝光能凝住運動中的零件，但需要更多光，而您能提供的光強就限定了可檢測的產線速度。要一起權衡，不要先後處理。
5. 只用乾淨樣品做測試
用完美零件驗證過的方案，會在遇到第一個帶油、帶灰或稍有偏位的零件時撞上現實。把團隊爭論不下的邊緣樣品也納入測試，因為那些正是照明必須分辨清楚的。
第四點值得展開講，因為曝光時間正是照明與產線速度交匯的地方。
換成 AI 檢測後有什麼不同
學習得到的模型比基於規則的工具更能容錯。規則邏輯衡量的是一個閾值，因此照明一變，測量值就跟著變，規則隨之失效。而在正常波動範圍內訓練過的模型能吸收一部分這種變化，這也是 AI 檢測能應對傳統方案難以處理的表面的原因之一。
但容錯並不能替代控制。模型每吸收一分波動，就有一分能力被花在照明上而不是缺陷上，其表現就是達到同樣準確率需要更多訓練影象。好的照明能減少您必須購買的學習量。
實際結果是，整合照明的價值比看起來更高。每一臺Overview 相機出廠時都把照明裝在同一個殼體內，與感測器對準並由結構固定，因此照明幾何不會漂移，也不存在另需選型、安裝、接線或遺失的獨立光源。當某個表面確實需要多角度採集時，OV20i 用光度學方式處理，而不必再搭一套照明支架。
一份簡短的除錯流程
- 說清楚區分良品與不良品的物理屬性是什麼：形狀、起伏、顏色還是浮雕。
- 從上表中挑出最能放大該屬性的照明幾何，並同時試一下那個顯而易見的備選方案。
- 用兩種方案拍同一批零件，包括邊緣樣品，然後比對影象，而不是爭論理論。
- 按產線速度設定曝光，然後確認在該曝光下光量仍然夠用。
- 把所有部件機械固定好，然後用真正要投入執行的那套方案來採集訓練影象。
照明定下來之後，其餘的光學問題就靠算術而不是靠判斷了。我們的光學計算器能把零件尺寸和缺陷尺寸換算成視野、工作距離和鏡頭，而工業相機指南涵蓋與之並行的感測器決策。若想了解這些部件如何構成一個完整工位，請看我們的機器視覺系統.
常見問題
機器視覺檢測用哪種照明最好？
沒有哪一種照明是絕對最好的，只有與您的缺陷相匹配的照明幾何。漫射穹頂光適合啞光或曲面上的汙漬和色差。暗場光是細劃痕的最強選擇，因為光滑表面保持暗色，只有缺陷把光散射進鏡頭。同軸光或環形光適合平面鏡面金屬上的凹坑和刻字。背光是尺寸測量和有無檢查的正確答案。拿自己的零件把兩種候選照明幾何都試一遍，比空想推理更快也更可靠。
照明如何影響 AI 模型的準確率？
照明控制著缺陷與周圍表面之間的反差，而模型只能從影象中實際存在的反差裡學習。糟糕或不穩定的照明會讓模型的能力花在補償影象上而不是缺陷上，從而同時抬高誤判和漏檢，並增加達到既定準確率所需的訓練影象數量。穩定性比絕對亮度更重要。
機器視覺照明應該固定還是可調？
除錯期間可調，定型之後固定。可變照明會帶來漂移，隨時間推移讓模型退化，因為它是在一種照明下訓練、在另一種照明下執行的。在搭建階段確定配置，然後用機械方式鎖死，併為工位遮擋環境光。
反光或光亮的零件該怎麼打光？
避免單一漫射或單一直射光源，兩者都會產生掩蓋缺陷的鏡面光斑。多角度採集（有時稱為 2.5D）按順序從多個方向照明併合成影象，使系統讀取的是表面坡度而不是原始亮度。同軸光在平面鏡面零件上同樣有效，因為平面會沿相機光軸把光反射回來，任何傾斜特徵在其襯托下都顯暗。
機器視覺檢測可以用車間現有的照明嗎？
一般不行。頂部照明和區域照明會隨時間、附近作業活動以及有人站錯位置而變化，而每一種變化傳到模型那裡都表現為零件看起來變了。帶遮光、自帶受控照明的工位結果更穩定，達到同樣準確率所需的訓練資料也更少。
照明會限制產線的可檢測速度嗎？
會，只是間接的。凝住運動中的零件需要短曝光，短曝光需要更多光，因此您能提供的光強就限定了在不產生運動模糊的前提下可檢測的速度。照明和曝光應當對著產線速度一起確定，而不是一個接一個地定。
在您的零件上體驗 Overview AI
把您的零件或瑕疵照片寄給我們，視覺工程師會告訴您 Overview 能否檢出，大多數系統幾天內即可在產線上運行。