机器视觉光源照明设计基本要素

 

　　判断机器视觉的照明的好坏，首先必须了解什么是光源需要做到的!显然光源应该不仅仅是使检测部件能够被摄像头“看见”。有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光源就可以使系统正常工作。

　　照明的目的是增强对比度。在一幅机器视觉的图像中，对比度代表着图像信号的质量，它反应了两个区域间的差别，比如物体和背景的差别。因此，设计光源照明的第一步是确定区域间的不同，然后用光源来突出这些不同之处。

　　对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

　　亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，相机的信噪比不够;由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

　　鲁棒性：另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。光源选择好了，剩下来的工作就容易多了!机器视觉应用关心的是反射光(除非使用背光)。物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体表面的时候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

　　光源可预测：当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收(黑金属材料，表面难以照亮)或者被部分吸收(造成了颜色的变化及亮度的不同)。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度，这个科学的定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的想定的效果可以通过控制光源而实现。

　　物体表面：如果光源按照可预测的方式传播，那么又是什么原因使机器视觉的光源设计如此的棘手呢?使机器视觉照明复杂化的是物体表面的变化造成的。如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的物体表面，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，图像就可以控制了。这点再怎么强度也不为过。因此在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。机器视觉的光源设计就是对反射的研究。在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先需要问自己这样的问题：“我如何才能让物体显现?”“我如何才能应用光源使必须的光反射到镜头中以获得物体外表?” 影响反射效果的因素有：光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性。 光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。

　　表面纹理：物体表面可能高度反射(镜面反射)或者高度漫反射。决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。一个漫反射的表面，如一张不光滑的纸张，有着复杂的表面角度，用显微镜观看的时候显得很明亮，这是由于物体表面角度的变化而造成了光源照射到物体表面而被分散开了。而一张光滑的的纸张有光滑的表面而减小了物体表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

　　表面形状：一个球形表面反射光源的方式与平面物体不近相同。物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。对应一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射。从不同角度照射可以减小光影。光源均匀性：不均匀的光会造成不均匀的反射。均匀关系到三个方面。第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。简单的说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。从而造成物体表面反射不均匀(假设物体表面的对光的反射是相同的)。

　　均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。 光源技术的应用：光源技术是设计光源的几何及位置以使图像有对比度。光源会使那些感兴趣的并需要机器视觉分析的区域更加突出。通过选择光源技术，应该关心物体使如何被照明及光源是如何反射及散射的。

　　1 光源照明设计的基本因素

　　主要有4个基本因素要重点考虑：

　　1.1 镜头的视场

　　在照明系统的设计中，应根据被测对象的尺寸确定镜头的视场。而后，再根据镜头视场的大小决定最佳的照明系统。

　　1.2 照明系统与工件的间距

　　在设计系统中，需全面的了解镜头到工作的距离，照明系统到工件的距离，从而确定光源与工件的距离。

　　1.3 工件的外形、条件和颜色

　　照明的选择是由工件表面的形状、平坦度、光滑程度等条件决定的。最佳的照明颜色(红、兰、绿、白)可通过检测工作或被检测区域的颜色来决定。

　　1.4 成像物镜

　　一般情况下，应针对确定的成像物镜进行照明系统的设计，其检验标准为：工件中需要可视化的部分、划痕、缺陷等是否被显现出来，工件表面上的印纹是否能够辨认等。

　　2 突显不同区域的方法

　　2.1 反射系数

　　从物体反射出的光量是可以度量的。有两种不同的反射方法：

　　a) 镜面反射：入射角等于出射角。

　　b) 漫反射：由于物体表面不平，出射光方向各异。

　　2.2 颜色

　　也就是光谱分布，我们从三个角度来衡量颜色：

　　a) 波长：比如绿光的波长为550nm。

　　b) 两种或两种以上光波的混合比：混合的目的是为了产生另一种光。比如黄光(波长620nm)和蓝光(波长480nm)混合在一起便会成为绿光，然而实际上，光谱的分布中并没有绿光的分布。

　　c) 补色：从白光中移除的那部分光与剩余的光互为补色光。比如，白色金属铁和黄色金属金颜色不同并不是金反射的黄光比铁多，而是反射的蓝光比铁少。白光中去除蓝光即为黄光。

　　2.3 光密度

　　由于不同物体材料、厚度和化学性质不同，所以投射光的数量和强度也不同。光密度会在整个光谱范围不同，或者只在某一个范围不同。一般来说，背光是鉴别光密度不同的最好方法。

　　2.4 折射

　　不同透明物质折射率不同，所以它们会以不同的方式影响光的传播。比如，空气气泡混合在玻璃里面，当光线直射时，会出现或明或暗的气泡边缘。

　　2.5 纹理

　　物体表面纹理有些是可辨识的，有些是过于微小无法处理的，但是它会影响光线的反射。有些情况下，纹理非常重要，必须用光源来突出它;而另外一些情况下，纹理则相当于噪声，必须用光源来突出其它而弱化纹理。

　　2.6 深度

　　用直射光可以突出物体的深度(影子效应)，而散射光则可以弱化物体的深度。

　　2.7 表面曲向

　　由于曲率的不同，表面各处呈现的特性不一样。折射光往往会突出这些特性，而散射光会削弱这些特性。

　　3 照明技术

　　3.1 一般目的的照明

　　通用照明一般采用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头上，可给漫反射表面提供足够的照明。

　　3.2 背光照明

　　背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同因为图像分析的不是发水光而是入射光。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。

　　3.3 同轴照明

　　同轴照明是与摄像头的轴向有相同的方向的光照射到物体的表面。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向。半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。

　　3.4 连续漫反射照明

　　连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。

　　3.5 暗域照明

　　暗域照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮域照明，相反的在视野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的，暗域照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。

　　3.6 结构光

　　结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光(如线形、圆形、正方形)。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。多轴照明：在许多应用中，为了使视野下不同的特征表现不同的对比度，需要多重照明技术。

　　4 选择光源

　　一旦选择了照明技术，接下来就是选择何种光源的问题了。光源应该照明形状的需要，需要有足够的均匀度，且稳定性能要好。在机器视觉应用中选择光源应该考虑下面的有关光源的特性：

　　光谱特征：

　　光源的颜色及测量物体表面的颜色决定了反射到摄像头的光能的大小及波长。白光或某种特殊的光谱在提取其他颜色的特征信息时可能使比较重要的因素。当分析多颜色特征的时候，选择光源的时候，色温是一个比较重要的因素。例如，卤灯更多表现为黄色，相比氙灯显现蓝色。

　　效率：

　　有些光源效率很高，相对于能量的消耗，其散发出更加多的光能，例如荧光灯。而钨灯，产生相当多的热量，能量消耗也很大。效率不高的光源产生局部过热，浪费很多。一般，光源的温度越高，其寿命就会缩短，其消耗的能量就相对较高。

　　5 寿命特性

　　光源一般需要持续多小时的使用。一个寿命为1000小时的光源，在两班运转的情况下，只能持续一个星期左右。更换光源灯泡的维护就必须了。LED光源是比较流行的光源，其可以连续工作很长时间，大约可以连续操作100，100小时。对多数光源，随着光源的老化，光源释放的能量会减少，根据光源类型的不同，光能减小可能速度比较满，也可能很快很明显。光能输出的变化可能也影响着光谱特性。当光源的老化速度影响到图像处理结果的时候就可以注意光源的变化了。

　　6 费用

　　许多光源需要在视觉系统的使用过程中更换。如果光源很昂贵，在机器视觉的使用过程中可能会增大后期费用。另外，光源应该在市场上较容易购买。