機器視覺 | 光源照明綜述(詳細版)
機器視覺系統(tǒng)中，視覺光源是機器視覺系統(tǒng)中非常重要的一部分，光源的選取與打光合理與否可直接影響至少
30%的成像質(zhì)量。
因此，我們本文主要介紹以下五個方面進行系統(tǒng)的介紹圖像采集的相關(guān)照明的知識：
電磁輻射簡介 光與被測物的相互作用 如何利用照明的光譜 如何利用照明的方向 常見光源的類型
1.電磁輻射簡介
要系統(tǒng)的了解光源照明，就必須要了解電磁輻射，這里我們回顧一下電磁輻射的相關(guān)知識，我們都知道，光是一定波長范圍內(nèi)的電磁輻射。人眼可見的光稱為可見光，其波長范圍為380~780nm，波長比此短的稱為紫外光(UV)。更短的電磁輻射為X射線和伽馬射線。波長比可見光更長的光稱為紅外線(IR)。比紅外線更長的波長為微波和無線電波。來重溫一下下面的光譜表：
這里我們在科普一下色溫的概念：色溫是表示光線中包含顏色成分的一個計量單位。從理論上講，色溫是指絕對黑體從絕對零度(-273℃)開始加溫后所呈現(xiàn)的顏色。黑體在受熱后．逐漸由黑變紅，轉(zhuǎn)黃，發(fā)白，最后發(fā)出藍色光。
當加熱到一定的溫度．黑體發(fā)出的光所含的光譜成分．就稱為這一溫度下的色溫，計量單位為“K”(開爾文)、如果某一光源發(fā)出的光，與某一溫度下黑體發(fā)出的光所含的光譜成分相同．即稱為某K色溫、如100W燈泡發(fā)出光的顏色，與絕對黑體在2527K時的顏色相同，那么這只燈泡發(fā)出的光的色溫就是：2527K+ 273K=2800K。
單一波長的光我們稱為單色光，對于由多個波長組成的光，我們通常將其與某一溫度下黑體輻射的光譜來做比較，稱為某K(開爾文)色溫。如下圖：不同的色溫代表不同的光譜組成。
通過上面的回顧，我們了解了波長和色溫的知識，那么光與被測物間到底是如何相互作用的呢？
2.光與被測物間的相互作用
彩虹是雨滴散射太陽光的神奇現(xiàn)象，海市蜃樓是光影反射成像的勝景，那些穿過物體的折射和反射，充滿了斑駁投影的神秘，光到底是什么，光與物質(zhì)到底怎么作用？
光在傳播過程中與媒質(zhì)相互作用而使光的性質(zhì)發(fā)生了某些變化，此時光作為信息的載體分別反映了物質(zhì)對光的吸收，散射和反射等能力，而吸收、散射、反射等現(xiàn)象正式光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。
光與被測物體間的相互作用有多種方式，如下圖：
落到物體的光用黑箭頭來表示，其中：
鏡面反射，不多解釋，入射光和反射光在同一平面，并且與法線夾角相等。 漫反射，由被測物表面的粗糙程度等微粒結(jié)構(gòu)決定 定向透射，光線定向透過物體，由內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)決定 漫透射，光線類似漫反射式的穿透物體。 背反射，在兩個透明介質(zhì)分界面上產(chǎn)生的反射 物體吸收，物體本身吸收部分能量
除了鏡面反射外，上述的各個物理量均取決于投射到物體的光的波長，不透明物體特有的顏色就是由與波長相關(guān)的漫反射及吸收決定的。而透明物體的顏色是與波長相關(guān)的投射決定的。基本上光線與物體之間的相互作用分為以上六種。
但是實際的物體要比上述簡單模型復雜的多。比如有的物體是由幾層不同的材料組成的，表層對于一定波長的光透明，而反射其他波長的光，下一層又可能反射部分從上一層透過的光，因此，為實物找一個合適的光源通常需要大量的實驗。
既然我們了解了光與物體的相互作用，那么我們該怎么利用光譜的特性呢？
3.如何利用照明的光譜
關(guān)于光譜的利用，我們從兩個角度進行分析：光譜的吸收以及光譜的過濾。
光譜的吸收
我們知道彩色物體之所以呈現(xiàn)出彩色，是因為它反射了一部分光譜，而吸收了其他光譜。比方說藍色的物體之所以呈現(xiàn)出藍色，是因為該物體吸收了其他波段的光譜，而反射回來藍色光譜，所以我們看到的該物體呈現(xiàn)出藍色。那么我們可以利用這一特性，來增強我們需要的特征。
比如使用合適的照明光源使其光譜范圍正好是希望看到波長范圍被物體反射，不希望看到的波長范圍被物體吸收。舉個栗子：如果綠色背景上有紅色物體，那么我們可以用紅色照明，這時紅色物體會更加明亮，而綠色背景將變得暗淡。為了更具體的我們看一幅圖：
上圖為在不同顏色的光照下的PCB電路板所呈現(xiàn)的圖，根據(jù)上面的原理以及上面的圖片可以得到，使用白光可以得到相對較好的平均對比度如上圖a，而使用某一顏色的光可以顯著提高一些特征的對比度，比如紅色光照下，左下方的橘黃色芯片的對比度顯著增加，在這種照明下，該元件就比較容易分割出來，而在藍色光照下五個電阻中間那個淺藍色電阻的對比度比較好。
然而，由于CCD和CMOS傳感器對于紅外光比較敏感，所以也常用紅外光來增強某些特征，如上圖，PCB的走線在紅外光下比較明顯，而由于走線上覆蓋有無光澤的綠色阻焊劑（這里留一個問題，為什么上圖中的綠光下，綠色阻焊劑沒有顯現(xiàn)出來？大家可以在文末留言交流），在可見光下則很難看到。
光譜的過濾
上面圖中的效果可以通過白光加不同顏色的濾鏡得到，但是白光這樣被過濾，則發(fā)光效率大大降低，通常情況下是直接采用彩色照明。然而濾鏡在機器視覺中的用途有很多，比如上面我們說到CCD和CMOS對紅外敏感，因此常常需要加上紅外截止濾光片來避免圖像過亮以及圖像顏色變化。反過來，如果被測物是用紅外照明的，那么使用紅外透射濾光片則能抑制可見光部分，而僅讓紅外光通過，將非常有助于得到好的圖像。
還有一種非常有用的濾光片稱為偏振片，光線在金屬和絕緣體表面反射時光線會產(chǎn)生部分偏振，使得成像炫亮，這樣使炫亮部分的某些特征不得顯示出來。所以此時在相機前面加上偏振片并調(diào)整方向來抑制偏振光。由于非偏振光反射后只有部分偏振，所以更好的抑制某些反射的方法是首先使光線稱為偏振光，然后再落到物體表面。如下圖：
如上圖，安裝在光源前的濾光片稱為起偏鏡，加在攝像機前的濾光片稱為檢偏鏡，如果將檢偏鏡和起偏鏡正交的話，反射造成的偏振光就被檢偏鏡抑制了。我們來看一張效果圖：
上圖a為直接環(huán)形光照明下的PCB板，可看到焊點及其他金屬元件的鏡面反射，而使用了起偏鏡和檢偏鏡的圖像b，鏡面反射則幾乎全部被抑制。
在我們有效的利用照明中光譜的成分的同時，照明的方向性通常也可以用在機器視覺中來增強被測物的必要特征。
4.如何利用照明的方向
在照明系統(tǒng)的設(shè)計中，需要根據(jù)被測物體的大小來確定鏡頭的視場。然后，根據(jù)鏡頭視野的大小，確定好的照明系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)計中，需要充分了解透鏡到工件的距離和照明系統(tǒng)到工件的距離，從而確定光源到工件的距離。照明的選擇取決于工件表面的形狀、平整度和光潔度。好的照明顏色(紅、藍、綠、白)可以根據(jù)檢測工作或檢測區(qū)域的顏色來確定。一般情況下，照明系統(tǒng)應(yīng)針對確定的成像物鏡進行設(shè)計。
在介紹常見的照明組合之前，先介紹幾個概念：
正面照明：相機和光源在物體的一側(cè) 背光照明：相機和光源在物體的兩側(cè) 明場照明：大部分的光反射到相機里 暗場照明：大部分的光沒有反射到相機
上面的劃分標準基本相互獨立，因此常見的照明方式有以下幾種組合：
明場漫射正面照明
應(yīng)用：常用于防止產(chǎn)生陰影，并減少或防止鏡面反射，也可以用于透過被測物體的透明包裝等 構(gòu)造：
上圖a為前端安裝了漫射扳的LED平板或環(huán)形光，b為在光源前安有漫射扳和45°半透半反鏡的同軸漫射光，c為安裝有漫射扳的半球光源，d光源是LED環(huán)形光，由半球表面作為漫射扳的半球照明。
直接明場正面照明
應(yīng)用：常用于使空洞或感興趣區(qū)域產(chǎn)生陰影以及會產(chǎn)生鏡面反射的物體的圖像 構(gòu)造：
上圖a為聚焦的環(huán)形光，b為含45°角的半透半反鏡的同軸遠平行照明.
直接暗場正面照明
應(yīng)用：易于突出被測物的缺口及凸起，常用于劃痕，紋理或雕刻文字等物體的成像 構(gòu)造：
通常有LED環(huán)形光構(gòu)成。
明場漫射背光照明
應(yīng)用：常用于得到不透明物體的輪廓 構(gòu)造：
上圖a為明場漫射背光照明，這種照明通常有光源前裝有漫射扳的LED平板燈或熒光燈組成；b對于厚度較大的被測物，其在攝像機一側(cè)的部分可能產(chǎn)生反射。
明場平行背光照明應(yīng)用：
應(yīng)用：會是被測物輪廓非常銳利，配合遠心鏡頭使用，適合測量應(yīng)用。構(gòu)造：
照明的目的是增強對比。工業(yè)相機中設(shè)計光源照明需要先確定區(qū)域之間的差異，然后使用光源來突出這些差異。
5.常見光源的類型
通過適當?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計，使圖像中的目標信息與背景信息得到合理分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，同時提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。反之，如果光源設(shè)計不當，會導致在圖像處理算法設(shè)計和成像系統(tǒng)設(shè)計中事倍功半。因此，光源及光學系統(tǒng)設(shè)計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。
在介紹常見光源類型之前，先看下工業(yè)視覺光源的主要特點：
照亮目標，提高目標亮度； 突出測量特征，簡化圖像處理算法； 克服環(huán)境光的干擾，保證圖像的穩(wěn)定性，提高圖像信噪比； 提高視覺系統(tǒng)的定位、測量、識別精度，以及系統(tǒng)的運行速度； 降低系統(tǒng)設(shè)計的復雜度，形成有利于圖像處理的成像效果。
發(fā)光原理區(qū)分
光源的類型從發(fā)光原理上區(qū)分，常用光源的類型以及不同光源的特點如下：
白熾燈
原理：燈絲中傳輸電流產(chǎn)生光 色溫：3000K~3400K優(yōu)點：亮度高，產(chǎn)生連續(xù)光譜以及工作電壓低等 缺點：發(fā)熱嚴重，壽命短，不能用作閃光燈，隨著老化亮度下降。氙氣燈
原理：氙氣被電離產(chǎn)生光 色溫：5500K~12000K優(yōu)點：亮度高，可做閃光燈 缺點：供電復雜昂貴，幾百萬次閃光后出現(xiàn)老化熒光燈
原理：電流激發(fā)水銀蒸汽產(chǎn)生紫外輻射，紫外輻射使得管壁磷鹽涂層發(fā)熒光 色溫：3000K~6000K優(yōu)點：價格便宜，照明面積大 缺點：壽命短，老化快，光譜不均勻，不能用作閃光燈發(fā)光二極管(
LED) 原理：電流激發(fā)半導體發(fā)光 色溫：類似單色光 優(yōu)點：壽命長，可做閃光燈，直流供電，亮度可控，功耗小，發(fā)熱低 缺點：性能與環(huán)境溫度有關(guān)
以上四種光源為圖像處理常用的光源，那么我們該如何選擇光源呢？要想知道如何選擇光源，除了根據(jù)項目的應(yīng)用場景，光源的優(yōu)缺點，我們還得考慮光源與被測物體間的相互作用，根據(jù)不同的被測物體，選擇具體的光源。
應(yīng)用角度區(qū)分
光源的類型從應(yīng)用角度上區(qū)分，常用光源的類型以及不同光源的特點如下：
環(huán)形光源
環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設(shè)計，節(jié)省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應(yīng)用領(lǐng)域:PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，集成電路印字檢查。
背光源
用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域:機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。條形光源
條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物的優(yōu)選光源；顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調(diào)。應(yīng)用領(lǐng)域:金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。
同軸光源
同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分采用分光鏡設(shè)計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應(yīng)用領(lǐng)域:系列光源適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。
點光源
大功率LED，體積小，發(fā)光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng)域:適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。組合條形光源
四邊配置條形光，每邊照明獨立可控；可根據(jù)被測物要求調(diào)整所需照明角度，適用性廣。應(yīng)用案例:CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。
對位光源
對位速度快；視場大；精度高；體積小，便于檢測集成；亮度高，可選配輔助環(huán)形光源。應(yīng)用領(lǐng)域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。
6.小結(jié)
機器視覺中照明的目的是使被測物的重要特征顯現(xiàn)，而抑制不需要的特征。為了達到此目的，我們需要考慮光源與被測物之間的相互作用。其中一個重要的因素就是光源和被測物的光譜的組成。我們可以用單色光照射彩色物體以增強被測物相應(yīng)特征的對比度。照明的角度可以增強某些特征等。
本文我們從電磁輻射說起，回顧了波長以及色溫的概念，學習了光源的類型，光源與物體的作用方式，如何利用光譜以及幾種常見的照明方式，希望大家通過本文能了解機器視覺中相關(guān)照明的知識。歡迎大家文末留言交流。
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