探究機(jī)器視覺中不同類型光源所產(chǎn)生的效果

有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器視覺工程師都會(huì)認(rèn)可這樣一句話：機(jī)器視覺項(xiàng)目的成敗在于能否得到一張打光優(yōu)秀的圖片。如果采集到的圖片本身“質(zhì)量”很差，那么接來(lái)下的圖像處理工作就會(huì)困難重重。

由于項(xiàng)目的需求以及光源廠商的努力，目前機(jī)器視覺光源的類型可以說(shuō)十分豐富，例如條光、背光、平行背光、同軸光、點(diǎn)光、隧道光、碗光、環(huán)形光、球形光、條形聚光等。根據(jù)光的波長(zhǎng)和顏色，又可以分為X光、藍(lán)光、紅光、白光、紅外光等。

網(wǎng)上關(guān)于光源選型方面的資料多如牛毛，我不想再重復(fù)，我想說(shuō)點(diǎn)其他的。

在光源大家族中，有一種光最為靈活多變，它就是環(huán)形光。環(huán)形光有低角度環(huán)形光、高角度環(huán)形光等不同類型，例如0°環(huán)形光、30°環(huán)形光、45°環(huán)形光、60°環(huán)形光、90°環(huán)形光等。

不同的資料對(duì)于這個(gè)環(huán)光的“角度”定義不同，有的指“光源照射方向與水平面的夾角”，有的指“光源照射方向與鏡頭光軸（一般是豎直方向）的夾角”。本文采用后一種定義方式來(lái)描述。

為什么說(shuō)環(huán)形光的花樣多呢？因?yàn)樗目趶娇梢圆煌?、它的“角度”可以不同、它的光的顏色可以不同、它的安裝高度也可以不同（其他光源安裝高度不同差異一般不會(huì)有這么大）。

下面我以拍攝鏡頭模組為例，采用不同“角度”的環(huán)形光，沿著鏡頭光軸方向在不同高度分別采集圖像，大家可以觀察圖像的特點(diǎn)與變化。

（這是一個(gè)手機(jī)鏡頭模組，高約6mm，中間有一塊透明的有劃傷的玻璃鏡片）

注意：以下每一系列組圖中，光源的高度都是從高到低不斷往下移的。

① 90°環(huán)形光（即光源照射方向與豎直方向成90°的環(huán)形光）

② 30°環(huán)形光

如果你讀到了這里，不妨停下來(lái)想想，為什么用不同角度、不同高度的環(huán)形光照明，圖像會(huì)有這樣的差異呢？

其核心就一點(diǎn)：始終抓住有哪些光被反射之后，沿著豎直方向被相機(jī)捕捉到了。物體在相機(jī)中成了像，是因?yàn)槲矬w表面有光反射進(jìn)了相機(jī)，這些光被相機(jī)捕捉到從而成了像。

如果想提高光源選型的能力，深刻理解上面這兩句話是十分必要的。

在只有光源而暫時(shí)沒(méi)有相機(jī)的時(shí)候，如何猜測(cè)相機(jī)采集到的圖像是什么樣的呢？我有一個(gè)小技巧：把頭伸到被測(cè)物正上方，從上往下豎直觀察被測(cè)物的打光情況。為什么要以這個(gè)姿勢(shì)觀察呢？因?yàn)橄鄼C(jī)也是以這個(gè)姿勢(shì)“觀察”被測(cè)物的。

從上面的兩組圖片可以看出，如果想檢測(cè)模組的鏡片劃傷，在合適的高度用90°環(huán)形光打光，能得到一張高質(zhì)量的易于處理的圖片。但這是最佳的方案嗎？未必。

我們用背光試試：

劃傷一覽無(wú)余，很好地從背景里被分割出來(lái)了。當(dāng)然，對(duì)于這種檢測(cè)并不是說(shuō)背光就一定優(yōu)于90°環(huán)光，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，是沒(méi)有辦法放置背光的。

我順手拍了一張同軸光打光的，順便也貼上來(lái)：

同軸光源一般比較貴，它之所以貴我猜測(cè)一方面是因?yàn)樗l(fā)出的是平行光，另一方面是因?yàn)樗鼉?nèi)部的那個(gè)45°的“半透半反”裝置需要較高的裝配精度。

觀察上面的同軸光打光的圖片，可以發(fā)現(xiàn)，用同軸光拍的圖片一般看起來(lái)比較“平庸”。同軸光能夠凸顯物體表面的不平整，克服表面反光造成的干擾。

這些是由同軸光的特性決定的：同軸光最終照到被測(cè)物上的是豎直向下的光，光經(jīng)物體反射后，只有豎直往上的反射光才能通過(guò)同軸光的“半透半反”裝置豎直進(jìn)入相機(jī)（因此反光不見了，因?yàn)榉垂庹凵涞狡渌较蛉チ?，沒(méi)有射入相機(jī)）。

另外，很多人在應(yīng)用中應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，在相機(jī)鏡頭參數(shù)、安裝高度等其他條件一致時(shí)，把同軸光源調(diào)到最亮去打光，得到的圖片一般亮度也很低，這是為什么呢？這是因?yàn)橥S光從發(fā)出光到光最終被相機(jī)捕捉到，它經(jīng)歷了兩次“半透半反”的過(guò)程，光源的亮度有極大的損失。

文末我再把之前的兩句話重復(fù)一下：

始終抓住有哪些光被反射之后，沿著光軸方向被相機(jī)捕捉到了。物體在相機(jī)中成了像，是因?yàn)槲矬w表面有光反射進(jìn)了相機(jī)，這些光被相機(jī)捕捉到從而成了像。