4. 光学成像方案设计
在CV-X视觉项目交付中，相机与镜头决定“能不能看清”，而照明决定“能不能稳定看清”。同一套CV-X控制器与相机，换一种打光方式，边缘对比度、缺陷信噪比、重复性可能相差数倍。光学成像方案设计的核心任务，是把被测特征的光学差异（反射率差、高度差、颜色差、透射差）转化为灰度差，并让这种灰度差在批量生产中保持稳定。
一、四种常用照明方式的成像机理与适用边界
远心照明通常与远心镜头配合使用，光线以近平行方式入射，能显著抑制因工件高度波动引起的边缘位置漂移。它适合尺寸测量、边缘定位、孔位检测等对几何精度敏感的场景。例如测量冲压件外形尺寸时，若用普通漫射光，工件上下浮动0.2mm就可能带来几个像素的边缘偏移；改用平行背光远心成像后，边缘由亮到暗的过渡被压缩到1～2个像素，测量重复性明显提升。
同轴照明通过半透半反镜把光沿镜头光轴垂直投射到工件表面，特别适合检测镜面、金属、玻璃等强反光表面的划痕、字符和微小凹凸。其优势是“正照正收”，表面平整区域反射回镜头形成亮场，而划痕、脏污或角度偏转区域把光偏折出去形成暗特征。但同轴光对平面度敏感，工件倾斜或曲面区域容易产生亮度不均。
环形照明由多颗LED围成圆环，以一定角度斜射工件，是CV-X项目中最通用的照明方式。低角度环形光（入射角约15°～30°）能强化表面纹理、压印字符和边缘轮廓；高角度环形光（约60°～75°）则更接近漫射，适合一般外观和颜色检测。环形光的关键参数是入射角度、工作距离和环径，三者共同决定光斑覆盖与阴影方向。
条形照明把LED排成直线，可单条、对射或组合使用，适合长条形工件、圆柱面、边缘增强和暗场检测。条形光通过调整安装角度，可以形成明场（光反射进镜头）或暗场（只有缺陷散射光进镜头）。例如检测圆柱电池壳体侧面划痕时，两条条形光从两侧低角度对射，正常圆柱面把光反射到镜头外，划痕因散射进入镜头而呈亮线，信噪比远高于环形光。
二、打光实验方法：从“能看见”到“可量化”
打光实验不是随意换灯试效果，而应遵循“固定变量、逐项调整、量化评价”的流程。建议按以下顺序推进：
- 固定相机与镜头：先确定工作距离、视野和光圈，保证景深覆盖工件高度波动范围。光圈不宜过大，否则景深过浅，工件轻微浮动就会失焦。
- 单变量调整光源：每次只改变一个因素——照明类型、入射角度、工作距离、亮度或偏振状态，其余保持不变，否则无法判断哪个因素真正起作用。
- 记录灰度直方图与对比度：在CV-X的实时图像上观察目标特征与背景的灰度分布。理想情况下，两者直方图应明显分离，中间谷底清晰。
- 验证批量稳定性：用同一工件连续采集30次，记录目标区域平均灰度与边缘位置，观察波动范围。若波动超过阈值，说明照明对位置或姿态过于敏感，需要重新调整。
三、典型场景的照明组合与参数示例
实际项目中，单一照明往往不够，需要组合使用。以下是几个典型场景的参考方案（参数为教学示例，需根据实际工件标定）：
| 检测对象 | 推荐照明 | 关键参数示例 | 观察要点 |
|---|---|---|---|
| 冲压件外形尺寸 | 远心背光 | 平行光，工作距离200mm，远心镜头0.5× | 边缘灰度过渡≤2像素，尺寸重复性≤0.02mm |
| 金属表面划痕 | 同轴光 + 低角度环形光 | 同轴光亮度70%，环形光入射角20° | 划痕呈暗线，背景均匀，灰度差≥80 |
| 塑料件字符OCR | 高角度环形光 | 入射角65°，工作距离120mm，环径90mm | 字符与背景灰度差≥70，无局部过曝 |
| 圆柱电池壳体划痕 | 双条形光暗场对射 | 入射角15°，两条对射，亮度80% | 划痕呈亮线，正常面暗，信噪比≥3:1 |
| 玻璃表面脏污 | 同轴光 + 偏振片 | 同轴光加装偏振片，旋转至背景最暗 | 脏污散射光被保留，镜面反射被抑制 |
四、常见问题与调整方向
边缘发虚、重复性差：多为照明角度过陡或光源过于漫射，导致边缘过渡带变宽。可降低环形光入射角度，或改用远心背光，让边缘由亮到暗的过渡更陡。
局部过曝、丢失细节：光源距离太近或亮度太高，目标区域灰度饱和到255。应增大工作距离、降低亮度，或改用漫射板。CV-X的实时直方图若在右侧堆积，就是过曝信号。
反光面亮度不均：同轴光对平面度敏感，工件倾斜会导致一侧亮一侧暗。可改用低角度环形光加漫射，或增加偏振片抑制镜面反射。
缺陷对比度不足：先确认缺陷是“亮缺陷”还是“暗缺陷”。暗缺陷适合明场照明，亮缺陷适合暗场照明。若方向反了，再调角度也事倍功半。
光学成像方案设计的最终交付物，不是“用了什么灯”，而是一组可复现的参数：照明类型、入射角度、工作距离、亮度值、偏振状态，以及对应的灰度差、边缘过渡和稳定性指标。把这些写进项目文档，后续换线、换批次或设备维护时才有据可依。