機(jī)器視覺(jué)光源照明設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

判斷機(jī)器視覺(jué)的照明的好壞，首先必須了解什么是光源需要做到的！顯然光源應(yīng)該不僅僅是使檢測(cè)部件能夠被攝像頭“看見(jiàn)”。有時(shí)候，一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法支持工作，但是僅僅優(yōu)化一下光源就可以使系統(tǒng)正常工作。

照明的目的是增強(qiáng)對(duì)比度。在一幅機(jī)器視覺(jué)的圖像中，對(duì)比度代表著圖像信號(hào)的質(zhì)量，它反應(yīng)了兩個(gè)區(qū)域間的差別，比如物體和背景的差別。因此，設(shè)計(jì)光源照明的第一步是確定區(qū)域間的不同，然后用光源來(lái)突出這些不同之處。

對(duì)比度：對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺(jué)來(lái)說(shuō)非常重要。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。對(duì)比度定義為在特征與其周?chē)膮^(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測(cè)的特征突出于其他背景。

亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是選擇更亮的那個(gè)。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況會(huì)出現(xiàn)。第一，相機(jī)的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對(duì)比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當(dāng)光源的亮度不夠的時(shí)候，自然光等隨機(jī)光對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)最大。

魯棒性：另一個(gè)測(cè)試好光源的方法是看光源是否對(duì)部件的位置敏感度最小。當(dāng)光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時(shí)，結(jié)果圖像應(yīng)該不會(huì)隨之變化。方向性很強(qiáng)的光源，增大了對(duì)高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。在很多情況下，好的光源需要在實(shí)際工作中與其在實(shí)驗(yàn)室中的有相同的效果。好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對(duì)比度、亮度足夠且對(duì)部件的位置變化不敏感。光源選擇好了，剩下來(lái)的工作就容易多了！機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用關(guān)心的是反射光（除非使用背光）。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如何能夠控制好光源的反射，那么獲得的圖像就可以控制了。因此，在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，當(dāng)光源入射到給定物體表面的時(shí)候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

光源可預(yù)測(cè)：當(dāng)光源入射到物體表面的時(shí)候，光源的反映是可以預(yù)測(cè)的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金屬材料，表面難以照亮）或者被部分吸收（造成了顏色的變化及亮度的不同）。不被吸收的光就會(huì)被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個(gè)科學(xué)的定律大大簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺(jué)光源，因?yàn)槔硐氲南攵ǖ男Ч梢酝ㄟ^(guò)控制光源而實(shí)現(xiàn)。

物體表面：如果光源按照可預(yù)測(cè)的方式傳播，那么又是什么原因使機(jī)器視覺(jué)的光源設(shè)計(jì)如此的棘手呢？使機(jī)器視覺(jué)照明復(fù)雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的，在解決實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就沒(méi)有必要采用不同的光源技術(shù)了。但由于物體表面的不同，因此需要觀察視野中的物體表面，并分析光源入射的反映。

控制反射：本文前面提到了，如果反射光可以控制，圖像就可以控制了。這點(diǎn)再怎么強(qiáng)度也不為過(guò)。因此在涉及機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的光源設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機(jī)器視覺(jué)的光源設(shè)計(jì)就是對(duì)反射的研究。在視覺(jué)應(yīng)用中，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)物體以決定需要什么樣的光源的時(shí)候，首先需要問(wèn)自己這樣的問(wèn)題：“我如何才能讓物體顯現(xiàn)？”“我如何才能應(yīng)用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？” 影響反射效果的因素有：光源的位置，物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置對(duì)獲取高對(duì)比度的圖像很重要。光源的目標(biāo)是要達(dá)到使感興趣的特征與其周?chē)谋尘皩?duì)光源的反射不同。預(yù)測(cè)光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

表面紋理：物體表面可能高度反射（鏡面反射）或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個(gè)漫反射的表面，如一張不光滑的紙張，有著復(fù)雜的表面角度，用顯微鏡觀看的時(shí)候顯得很明亮，這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開(kāi)了。而一張光滑的的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

表面形狀：一個(gè)球形表面反射光源的方式與平面物體不近相同。物體表面的形狀越復(fù)雜，其表面的光源變化也隨之而復(fù)雜。對(duì)應(yīng)一個(gè)拋光的鏡面表面，光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。光源均勻性：不均勻的光會(huì)造成不均勻的反射。均勻關(guān)系到三個(gè)方面。第一，對(duì)于視野，在攝像頭視野范圍部分應(yīng)該是均勻的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，圖像中暗的區(qū)域就是缺少反射光，而亮點(diǎn)就是此處反射太強(qiáng)了。不均勻的光會(huì)使視野范圍內(nèi)部分區(qū)域的光比其他區(qū)域多。從而造成物體表面反射不均勻（假設(shè)物體表面的對(duì)光的反射是相同的）。

均勻的光源會(huì)補(bǔ)償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。光源技術(shù)的應(yīng)用：光源技術(shù)是設(shè)計(jì)光源的幾何及位置以使圖像有對(duì)比度。光源會(huì)使那些感興趣的并需要機(jī)器視覺(jué)分析的區(qū)域更加突出。通過(guò)選擇光源技術(shù)，應(yīng)該關(guān)心物體使如何被照明及光源是如何反射及散射的。

1 光源照明設(shè)計(jì)的基本因素

主要有4個(gè)基本因素要重點(diǎn)考慮：

1.1 鏡頭的視場(chǎng)

在照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的尺寸確定鏡頭的視場(chǎng)。而后，再根據(jù)鏡頭視場(chǎng)的大小決定最佳的照明系統(tǒng)。

1.2 照明系統(tǒng)與工件的間距

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，需全面的了解鏡頭到工作的距離，照明系統(tǒng)到工件的距離，從而確定光源與工件的距離。

1.3 工件的外形、條件和顏色

照明的選擇是由工件表面的形狀、平坦度、光滑程度等條件決定的。最佳的照明顏色（紅、蘭、綠、白）可通過(guò)檢測(cè)工作或被檢測(cè)區(qū)域的顏色來(lái)決定。

1.4 成像物鏡

一般情況下，應(yīng)針對(duì)確定的成像物鏡進(jìn)行照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：工件中需要可視化的部分、劃痕、缺陷等是否被顯現(xiàn)出來(lái)，工件表面上的印紋是否能夠辨認(rèn)等。

2 突顯不同區(qū)域的方法

2.1 反射系數(shù)

從物體反射出的光量是可以度量的。有兩種不同的反射方法：

a） 鏡面反射：入射角等于出射角。

b） 漫反射：由于物體表面不平，出射光方向各異。

2.2 顏色

也就是光譜分布，我們從三個(gè)角度來(lái)衡量顏色：

a） 波長(zhǎng)：比如綠光的波長(zhǎng)為550nm。

b） 兩種或兩種以上光波的混合比：混合的目的是為了產(chǎn)生另一種光。比如黃光（波長(zhǎng)620nm）和藍(lán)光（波長(zhǎng)480nm）混合在一起便會(huì)成為綠光，然而實(shí)際上，光譜的分布中并沒(méi)有綠光的分布。

c） 補(bǔ)色：從白光中移除的那部分光與剩余的光互為補(bǔ)色光。比如，白色金屬鐵和黃色金屬金顏色不同并不是金反射的黃光比鐵多，而是反射的藍(lán)光比鐵少。白光中去除藍(lán)光即為黃光。

2.3 光密度

由于不同物體材料、厚度和化學(xué)性質(zhì)不同，所以投射光的數(shù)量和強(qiáng)度也不同。光密度會(huì)在整個(gè)光譜范圍不同，或者只在某一個(gè)范圍不同。一般來(lái)說(shuō)，背光是鑒別光密度不同的最好方法。

2.4 折射

不同透明物質(zhì)折射率不同，所以它們會(huì)以不同的方式影響光的傳播。比如，空氣氣泡混合在玻璃里面，當(dāng)光線直射時(shí)，會(huì)出現(xiàn)或明或暗的氣泡邊緣。

2.5 紋理

物體表面紋理有些是可辨識(shí)的，有些是過(guò)于微小無(wú)法處理的，但是它會(huì)影響光線的反射。有些情況下，紋理非常重要，必須用光源來(lái)突出它；而另外一些情況下，紋理則相當(dāng)于噪聲，必須用光源來(lái)突出其它而弱化紋理。

2.6 深度

用直射光可以突出物體的深度（影子效應(yīng)），而散射光則可以弱化物體的深度。

2.7 表面曲向

由于曲率的不同，表面各處呈現(xiàn)的特性不一樣。折射光往往會(huì)突出這些特性，而散射光會(huì)削弱這些特性。

3 照明技術(shù)

3.1 一般目的的照明

通用照明一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。環(huán)燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。

3.2 背光照明

背光照明是將光源放置在相對(duì)于攝像頭的物體的背面。這種照明方式與別的照明方式有很大不同因?yàn)閳D像分析的不是發(fā)水光而是入射光。背光照明產(chǎn)生了很強(qiáng)的對(duì)比度。應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)候，物體表面特征可能會(huì)丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測(cè)量硬幣的直徑，但是卻無(wú)法判斷硬幣的正反面。

3.3 同軸照明

同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直于透鏡的光源通過(guò)。同軸照明技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外此技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)使表面角度變化部分高亮，因?yàn)椴淮怪庇跀z像頭鏡頭的表面反射的光不會(huì)進(jìn)入鏡頭，從而造成表面較暗。

3.4 連續(xù)漫反射照明

連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復(fù)雜的角度。連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對(duì)于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達(dá)到170立體角范圍的均勻照明。

3.5 暗域照明

暗域照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明。使用相機(jī)拍攝鏡子使其在其視野內(nèi)，如果在視野內(nèi)能看見(jiàn)光源就認(rèn)為使亮域照明，相反的在視野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明還是暗域照明與光源的位置有關(guān)。典型的，暗域照明應(yīng)用于對(duì)表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

3.6 結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光（如線形、圓形、正方形）。典型的結(jié)構(gòu)光涉及激光或光纖。結(jié)構(gòu)光可以用來(lái)測(cè)量相機(jī)到光源的距離。多軸照明：在許多應(yīng)用中，為了使視野下不同的特征表現(xiàn)不同的對(duì)比度，需要多重照明技術(shù)。

4 選擇光源

一旦選擇了照明技術(shù)，接下來(lái)就是選擇何種光源的問(wèn)題了。光源應(yīng)該照明形狀的需要，需要有足夠的均勻度，且穩(wěn)定性能要好。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中選擇光源應(yīng)該考慮下面的有關(guān)光源的特性：

光譜特征：

光源的顏色及測(cè)量物體表面的顏色決定了反射到攝像頭的光能的大小及波長(zhǎng)。白光或某種特殊的光譜在提取其他顏色的特征信息時(shí)可能使比較重要的因素。當(dāng)分析多顏色特征的時(shí)候，選擇光源的時(shí)候，色溫是一個(gè)比較重要的因素。例如，鹵燈更多表現(xiàn)為黃色，相比氙燈顯現(xiàn)藍(lán)色。

效率：

有些光源效率很高，相對(duì)于能量的消耗，其散發(fā)出更加多的光能，例如熒光燈。而鎢燈，產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量，能量消耗也很大。效率不高的光源產(chǎn)生局部過(guò)熱，浪費(fèi)很多。一般，光源的溫度越高，其壽命就會(huì)縮短，其消耗的能量就相對(duì)較高。

5 壽命特性

光源一般需要持續(xù)多小時(shí)的使用。一個(gè)壽命為1000小時(shí)的光源，在兩班運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，只能持續(xù)一個(gè)星期左右。更換光源燈泡的維護(hù)就必須了。LED光源是比較流行的光源，其可以連續(xù)工作很長(zhǎng)時(shí)間，大約可以連續(xù)操作100，100小時(shí)。對(duì)多數(shù)光源，隨著光源的老化，光源釋放的能量會(huì)減少，根據(jù)光源類(lèi)型的不同，光能減小可能速度比較滿(mǎn)，也可能很快很明顯。光能輸出的變化可能也影響著光譜特性。當(dāng)光源的老化速度影響到圖像處理結(jié)果的時(shí)候就可以注意光源的變化了。

6 費(fèi)用

許多光源需要在視覺(jué)系統(tǒng)的使用過(guò)程中更換。如果光源很昂貴，在機(jī)器視覺(jué)的使用過(guò)程中可能會(huì)增大后期費(fèi)用。另外，光源應(yīng)該在市場(chǎng)上較容易購(gòu)買(mǎi)。

審核編輯：湯梓紅