1、 光源簡(jiǎn)介

什么是光源呢？光源指的是“能發(fā)出可見(jiàn)光的物體，如太陽(yáng)、燈、火等。物理學(xué)上指能發(fā)出電磁波的物體”。簡(jiǎn)單理解下即可，我們更感興趣的是在視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用中，什么樣的光源才是“好”光源。只有知道什么樣的光源是好的光源，我們才能正確地進(jìn)行光源選型。下面，我們給出幾條“好”光源的標(biāo)準(zhǔn)：

1. 將ROI區(qū)域（感興趣區(qū)域）和其余部分的灰度值差異加大

2. 弱化非ROI區(qū)域

3. 光照強(qiáng)度要足夠，提高信噪比，方便圖像處理

4. 穩(wěn)定且壽命長(zhǎng)

5. 成本低

6. 光源的均勻性要好

上面6點(diǎn)中，第3、4、5、6點(diǎn)是光源自身的性能要求，和檢測(cè)對(duì)象無(wú)關(guān)。至于第1點(diǎn)和第2點(diǎn)，除了和光源自身有關(guān)，還和檢測(cè)對(duì)象有關(guān)，需要選擇不同種類的光源。

目前市面上常見(jiàn)的光源種類主要有：LED燈、鹵素?zé)簟晒鉄?、白熾燈等。這里，我們可以簡(jiǎn)單地選擇LED燈即可（大部分情況下，LED優(yōu)勢(shì)很大）。

在進(jìn)一步的選型討論之前，我們先來(lái)學(xué)習(xí)下和光源相關(guān)的一些基本概念：顯色性、色溫、波長(zhǎng)、發(fā)光強(qiáng)度、光照強(qiáng)度、光通量、相鄰色和互補(bǔ)色。

顯色性：光源對(duì)物體的顯色能力，使用顯色指數(shù)(Ra)表示，最高為100。

色溫：表示光線中包含顏色成分的一個(gè)計(jì)量單位。

波長(zhǎng)：波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳播的距離。

發(fā)光強(qiáng)度：簡(jiǎn)稱光強(qiáng)，表示光源在單位立體角內(nèi)光通量的多少。

光通量：人眼能感覺(jué)的輻射功率，單位為“流明“，符號(hào)lm。

照度：?jiǎn)挝幻娣e上所接收可見(jiàn)光的光通量，單位為流明/平方米，或者稱Lux/lx。

相鄰色和互補(bǔ)色：相鄰色是在色環(huán)上相鄰/同種的顏色，疊加后在黑白相機(jī)中呈現(xiàn)淺色。互補(bǔ)色是在色環(huán)上相對(duì)的顏色，疊加后在黑白相機(jī)中呈現(xiàn)深色。色環(huán)圖如下所示：

2、 打光方式

打光的概念和分類

1、正面光/入射光：相機(jī)和光源在同一測(cè)。

典型的有同軸光、環(huán)形光、條形光源的等。

2、背光/透射光：相機(jī)和光源位于被檢測(cè)物體的兩側(cè)。

典型的光源是背光源；

3、明場(chǎng)照明：光源和被測(cè)物體呈一定角度，使大部分光反射到相機(jī)上；

典型的高角度環(huán)形光源，條形光源等。

4、暗場(chǎng)照明：光源和被測(cè)物體呈一定的角度，使大部分光源不能反射到相機(jī)上，讓少部分光或者特定的光反射到相機(jī)里；

典型的光源是低角度光源；

實(shí)際應(yīng)用案例（實(shí)際使用中，僅供參考，在選擇光源時(shí)，先按照常規(guī)套路選擇同軸光或者環(huán)形光，再選擇光源的顏色，常規(guī)套路不行嘛，就是在常規(guī)的基礎(chǔ)上做大量測(cè)試）

（總結(jié)于自己使用的經(jīng)歷）在實(shí)際使用中常用的就是四種，同軸光源，環(huán)形光源，條形光源和背光源；

1、背光源：一般就是用于尺寸輪廓檢測(cè)，如果使用正面照射，反射會(huì)造成虛影，損失像素，從而精度降低；

2、條形光源：大部分時(shí)候一般不單獨(dú)使用一條，多用于幾條組合在一起使用，構(gòu)成角度光，優(yōu)點(diǎn)比較靈活。配合拱形光滑頂面可以做成圓頂光源，均勻性比較好。

3、環(huán)形光：一般用作定位、檢測(cè)特定的缺陷，很難檢測(cè)一個(gè)產(chǎn)品上有很多種缺陷時(shí)，環(huán)形光就顯的比較局促了。

4、同軸光：產(chǎn)品上缺陷比較多的時(shí)候，使用同軸光比較合適，例如，產(chǎn)品表面有發(fā)黃，油污，劃傷（比較深的）等。缺點(diǎn)也很明顯，就是光源在一定面積里有衰減，主要因?yàn)橥S光的發(fā)光原理時(shí)使用分光鏡折射產(chǎn)生的，離光源較遠(yuǎn)的就比較暗，離光源較近的就比較亮；一般如果需要使用的話，按照我個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，選擇比較大的同軸光，被檢測(cè)物相對(duì)較小，可以選擇比較均勻的位置檢測(cè)

打光方式也可以分為如下幾種：背部打光、高角度打光、低角度打光和投射打光。

背部打光：待檢測(cè)物體在光源和相機(jī)之間。在最終的圖像中，會(huì)清晰地顯示物體的外輪廓?？梢杂脕?lái)檢測(cè)物體的尺寸、檢測(cè)物體的放置方向、檢測(cè)是否存在孔和間隙。

高角度打光：光線方向和待檢測(cè)表面所成夾角比較大。高角度打光時(shí)，表面平滑的部分在圖像中顯示偏亮，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方，如劃傷、凹痕，在圖像中顯示偏暗。

cvtutorials.com注釋：高角度打光時(shí)候，表面平滑的部分會(huì)發(fā)生鏡面反射，反射的光線會(huì)進(jìn)入到相機(jī)鏡頭中，所以看起來(lái)比較明亮。表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分會(huì)發(fā)生漫反射，只有部分光線會(huì)反射到相機(jī)鏡頭中，所以在圖像中顯示偏暗。初見(jiàn)高角度打光這種打光方式時(shí)，我突然就聯(lián)想到了初中物理中曾經(jīng)做過(guò)的一個(gè)題目，迎著月亮和背著月亮，如何分辨水坑和正常道路，背后的原理是類似的。

低角度打光：光線方向和待檢測(cè)表面所成夾角比較小。低角度打光時(shí)，表面平滑的部分在圖像中顯示偏暗，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方，如劃傷、凹痕，在圖像中顯示偏亮。

cvtutorials.com注釋：理解鏡面反射和漫反射的概念后，你可以自己嘗試給出平滑偏暗、劃傷偏亮背后的原因。

透射打光：待檢測(cè)物體在光源和相機(jī)之間，待檢測(cè)物體是半透明或者透明的。

選擇最合適機(jī)器視覺(jué)照明的八個(gè)小技巧

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)是極其重要的一部分，它的好壞直接影響著后面的圖像處理。好的照明系統(tǒng)可以減少很多圖像處理工作，提升整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)效率。那么照明是怎樣一門學(xué)問(wèn)呢？如何在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中選擇合適的照明系統(tǒng)呢？

合適的照明是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用成功的關(guān)鍵，而且是第一要考慮的部分。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的照明系統(tǒng)不僅會(huì)帶來(lái)更好的性能，節(jié)約時(shí)間，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看能節(jié)約成本。下面來(lái)分享選擇最合適機(jī)器視覺(jué)照明的八個(gè)小技巧，它們是：

1、檢測(cè)材料缺損請(qǐng)使用亮度高的光；

2、精確定位請(qǐng)使用合適波長(zhǎng)的光；

3、檢測(cè)玻璃上的刮痕請(qǐng)使用非漫射的光，即Non-Diffused Light；

4、檢測(cè)透明包裝請(qǐng)使用漫射光，即Diffused Light；

5、創(chuàng)造對(duì)比請(qǐng)使用顏色光；

6、檢測(cè)快速移動(dòng)物體請(qǐng)使用頻閃光；

7、消除反射時(shí)請(qǐng)使用紅外光；

8、消除顏色變化請(qǐng)使用紅外光。

照明是怎樣影響機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的呢？

對(duì)于將質(zhì)量最為輸出的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)依賴于圖像質(zhì)量。高質(zhì)量的圖像使得系統(tǒng)能夠精確地解釋出從檢測(cè)物體中提取的信息，這樣就可以產(chǎn)生可靠的并可重復(fù)的系統(tǒng)性能。在任何視覺(jué)應(yīng)用中需要的圖像質(zhì)量很大程度上取決于照明條件：顏色，角度和使用照明對(duì)象的光源數(shù)量意味著好圖像之間的差異，有可能會(huì)產(chǎn)生更好的性能，也會(huì)帶來(lái)質(zhì)量差的圖像，產(chǎn)生不好的結(jié)果。

機(jī)器視覺(jué)照明應(yīng)該最大化特征對(duì)比，同時(shí)最小化其它剩下的對(duì)比度，因此讓相機(jī)清晰看到部分或標(biāo)記。高對(duì)比度特征簡(jiǎn)化集成和提高可靠性；對(duì)比度差的圖像和不規(guī)則的照明需要來(lái)自系統(tǒng)的更多努力，而且也增加了處理時(shí)間。最優(yōu)的照明取決于檢測(cè)物體的尺寸，它的表面特征和部分幾何特征和系統(tǒng)需求。具有寬范圍的波長(zhǎng)（顏色），視場(chǎng)（尺寸），對(duì)于特殊應(yīng)用需要，就可以靈活的選擇機(jī)器視覺(jué)照明。

當(dāng)選擇照明時(shí)需要考慮以下五個(gè)方面：

1、表面是光滑，還是崎嶇不平？

2、表面是暗淡，還是光亮？

3、對(duì)象是彎曲的，還是平坦的？

4、條碼或標(biāo)記的顏色是怎樣的？

5、是檢測(cè)移動(dòng)的物體，還是靜止的對(duì)象？

技巧1：使用亮光去檢測(cè)材料缺損

比如在塑料澆注中驗(yàn)證是否不足

從塑料澆注應(yīng)用中驗(yàn)證材料缺損對(duì)于確保良好的密封表面是重要的。當(dāng)有材料缺損時(shí)，你有了不足的條件（比如澆注到模型中的材料不充分）。

照明技術(shù)：亮場(chǎng)

亮場(chǎng)照明技術(shù)依賴表面紋理和平坦地形。光線遇到平坦反光的表面將光線反射回到相機(jī)，創(chuàng)立一個(gè)亮區(qū)域。粗糙紋理或表面缺損會(huì)將光線散射而遠(yuǎn)離相機(jī)，創(chuàng)立了暗區(qū)域。

技巧2：對(duì)于精確組件定位使用合適的波長(zhǎng)

比如檢測(cè)倒裝芯片（Flipped Chips），在PCB裝配中驗(yàn)證合適的零件方向是常見(jiàn)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

照明技術(shù)：亮場(chǎng)

為了驗(yàn)證裝配問(wèn)題，使用藍(lán)光波長(zhǎng)的打亮芯片方位。這個(gè)照明技術(shù)依靠波長(zhǎng)和同軸照明幾何。藍(lán)色波長(zhǎng)（460 納米）能很好地區(qū)分銀質(zhì)和銅質(zhì)表面：銅吸收藍(lán)光呈現(xiàn)出暗場(chǎng)，銀反射藍(lán)光呈現(xiàn)亮場(chǎng)。同軸照明幾何消除錯(cuò)誤反射：不想要的耀眼點(diǎn)，反射和暗點(diǎn)。

技巧3：在玻璃中檢測(cè)裂痕使用非漫射光

比如檢測(cè)玻璃容器上的裂痕

照明技術(shù)：暗場(chǎng)

在這個(gè)應(yīng)用當(dāng)中，用暗場(chǎng)照明來(lái)創(chuàng)立一個(gè)明亮的，在暗背景下容易檢測(cè)的感興趣特征。在一個(gè)暗場(chǎng)區(qū)域中光線直接通過(guò)透明的瓶子。大多數(shù)穿透透明對(duì)象的光線不會(huì)被相機(jī)檢測(cè)到。如果材料不規(guī)則，比如有裂紋，一些光線就會(huì)凸顯出這個(gè)不規(guī)則。特別是劃痕創(chuàng)立了一個(gè)內(nèi)部空缺，這里光線折射和反射，以許多角度散射包括返回給相機(jī)。這些光線將很難檢測(cè)的劃痕轉(zhuǎn)換到暗背景下的亮特征。

技巧4：檢測(cè)透明包裝使用漫射光

比如驗(yàn)證吸塑包裝的內(nèi)容

照明技術(shù)：連續(xù)漫射

連續(xù)的漫射照明技術(shù)不強(qiáng)調(diào)表面紋理和升高中的變化。它提供了非常大的固定照明角度，從多角度讓光線找到對(duì)象上，因此消除了反射和典型的非方向性或單個(gè)光源產(chǎn)生的陰影。

技巧5：使用顏色創(chuàng)造對(duì)比度

在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中創(chuàng)造一個(gè)高對(duì)比度圖像的一個(gè)有用的方法是用特殊波長(zhǎng)（彩色）的光照明物體。對(duì)于黑白相機(jī)來(lái)講，光的波長(zhǎng)能使得跟彩色一樣的特征變亮或變暗。使用彩色輪子作為參考，選擇一個(gè)相反顏色的光來(lái)使得特征變暗；或選相同顏色的光使得特征變亮。

例如：

1. 如果你想變暗的特征是紅色，則使用綠光；

2. 使用綠光能使得綠色特征呈現(xiàn)更亮；

3. 記住鋁上刻印在紅光和藍(lán)光下的區(qū)別。

技巧6：針對(duì)快速移動(dòng)的物體使用頻閃光

當(dāng)物體快速移動(dòng)成像是模糊時(shí)，就需要使用頻閃光。頻閃寬度 = 視場(chǎng)÷ 像素/移動(dòng)速度

技巧7：消除反射使用紅外光

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)依靠數(shù)字圖像中的灰度級(jí)轉(zhuǎn)化。在許多視覺(jué)應(yīng)用當(dāng)中，環(huán)境光帶來(lái)了不想要的亮反射，這樣使得檢測(cè)感興趣特征變得困難或不可能。紅外光就能解決這個(gè)問(wèn)題。

技巧8：使用紅外光消除顏色差異

紅外光能用于在彩色對(duì)象之間消除灰度差別。暗對(duì)象吸收紅外波長(zhǎng)，創(chuàng)造出一致性，而其它則呈現(xiàn)陰影。這個(gè)照明方案有利于檢測(cè)顏色或陰影變化的非一致性。

為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選擇合適的照明方案，需要從多方面來(lái)考慮，從這些小技巧中選擇可取的，結(jié)合到自己的系統(tǒng)特點(diǎn)中去，相信會(huì)事半功倍！

3、光源配件

濾鏡：在鏡頭前面加上濾鏡可以允許一個(gè)波段的光通過(guò)濾鏡，同時(shí)阻斷一定波長(zhǎng)的光通過(guò)。濾鏡的選型基本步驟如下：

選擇鏡頭口徑尺寸適配的濾鏡尺寸

選擇允許通過(guò)光源的波段

選擇合適的濾鏡型號(hào)

棱鏡：棱鏡是“一種由兩兩相交但彼此均不平行的平面圍成的透明物體，用以分光或使光束發(fā)生色散”。棱鏡常見(jiàn)的分類方式如下：色散棱鏡、偏轉(zhuǎn)棱鏡、旋轉(zhuǎn)棱鏡和偏移棱鏡。使用棱鏡的一個(gè)場(chǎng)景是可以幾乎同時(shí)看到一個(gè)6面體的5個(gè)面。

偏光器：在光源的出光位置安裝偏振片，可以將光源發(fā)射的光轉(zhuǎn)換為線偏振光。在鏡頭前面加上偏振鏡，將其旋轉(zhuǎn)到合適的方向，可以有效地消除高反光，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，尤其是在待檢測(cè)對(duì)象表面光滑高反光的情況下，目標(biāo)物體表面常常會(huì)出現(xiàn)光斑，會(huì)嚴(yán)重干擾圖像的成像質(zhì)量，可以使用偏光器提高成像質(zhì)量。

光源延長(zhǎng)線：購(gòu)買光源之前，最好考慮實(shí)際場(chǎng)景，選擇光源延長(zhǎng)線作為附件，會(huì)為后面省下一些麻煩。

光源控制器：光源控制器有手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，也有程序控制方式，可以在視覺(jué)算法驗(yàn)證階段使用手動(dòng)調(diào)節(jié)方式選擇合適的參數(shù)，然后使用程序進(jìn)行頻閃拍照，常用的控制方式為RS232。

4、光源選型經(jīng)驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，光源生產(chǎn)商為了銷售自家的產(chǎn)品，會(huì)在產(chǎn)品手冊(cè)上標(biāo)注某光源產(chǎn)品適用的場(chǎng)景，這是從光源到應(yīng)用場(chǎng)景的一對(duì)多的映射。但是從用戶角度而言，更需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景縮小光源的選擇范圍，所以，我這里給出應(yīng)用場(chǎng)景到光源的一對(duì)多的映射。

通用需求場(chǎng)景：

二維碼識(shí)別：高角度環(huán)形光、同軸光源

損傷和贓物檢測(cè)：高角度環(huán)形光

字符識(shí)別：高角度環(huán)形光

邊緣識(shí)別：低角度環(huán)形光

金屬表面劃傷、損傷檢測(cè)：低角度環(huán)形光、低角度漫射無(wú)影光源、方形漫射無(wú)影光源

高反光表面劃傷檢測(cè)：同軸光源

大面積顏色識(shí)別：開(kāi)孔背光

大面積產(chǎn)品定位：開(kāi)孔背光

尺寸測(cè)量：背光源

具體行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景：

太陽(yáng)能電池板尺寸測(cè)量：導(dǎo)光型背光

芯片、硅片的破損檢測(cè)、字符檢測(cè)：同軸光源、環(huán)形光源

顯示屏缺陷檢測(cè)：同軸光源

電路板字符識(shí)別：同軸光源

電路板焊錫檢測(cè)：AOI光源

手機(jī)類涂膠檢測(cè)：同軸光源

手機(jī)類背表面缺陷檢測(cè)：線光源

液晶面板灰塵檢測(cè)：線光源

布匹印花缺陷檢測(cè)：線光源

O型圈外觀檢測(cè)：低角度環(huán)形光

機(jī)器人定位抓?。捍箢w粒條形光源

汽車行業(yè)零部件的有無(wú)檢測(cè)：大顆粒條形光源、漫反射條光源

發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠檢測(cè)：開(kāi)孔背光

審核編輯：劉清