1. 光源的作用

選擇正確的照明是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵，光源直接影響到圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的性能。

光源的作用，就是獲得對(duì)比鮮明的圖像，具體來(lái)說(shuō)：

①將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大；

②盡量消隱不感興趣部分；

③提高信噪比，利于圖像處理；

④減少因材質(zhì)、照射角度對(duì)成像的影響。

適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)計(jì)，能使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，以降低圖像處理算法的難度，提高系統(tǒng)的可靠性和綜合性能；好的設(shè)計(jì)能夠改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，簡(jiǎn)化軟件的運(yùn)算，它直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。

不合適的照明，則會(huì)引起很多問(wèn)題，例如花點(diǎn)和過(guò)度曝光會(huì)隱藏很多重要信息；陰影會(huì)引起邊緣的誤檢；而信噪比的降低以及不均勻的照明會(huì)導(dǎo)致圖像處理閾值選擇的困難。

對(duì)于每種不同的檢測(cè)對(duì)象，必須采用不同的照明方式才能突出被檢測(cè)對(duì)象的特征，有時(shí)可能需要采取幾種方式的結(jié)合，而最佳的照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗(yàn)，才能找到。

光源設(shè)計(jì)，不僅需要調(diào)整光源本身的參數(shù)，而且需要考慮應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境因素和被測(cè)物的光學(xué)屬性。

通常，光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可控制的參數(shù)有：

①方向（Direction）：主要有直射（Directed）和散射（Diffuse）兩種方式，其主要取決于光源類(lèi)型和放置位置。

②光譜（Spectrum）：即光的顏色，其主要取決于光源類(lèi)型和光源或鏡頭的濾光片性能。光源的光譜用色溫進(jìn)行度量，色溫是指當(dāng)某一種光源的光譜分布與某一溫度下的完全輻射體（黑體）的光譜分布相同時(shí)完全輻射體的溫度。

③極性（Polarization）：即光波的極性，鏡面反射光有極性，而漫反射光沒(méi)有極性。

④強(qiáng)度（Intensity）：光強(qiáng)不夠會(huì)降低圖像的對(duì)比度，而光強(qiáng)過(guò)大，則功耗大，并且需散熱處理。

⑤均勻性（Uniformity）：機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本要求，隨距離和角度變化，光強(qiáng)會(huì)衰減。

2. 選擇光源應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性

判斷機(jī)器視覺(jué)的照明的優(yōu)劣，首先必須了解什么是光源需要做到的。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。選擇光源時(shí)，應(yīng)該考慮如下系統(tǒng)特性。

2.1 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(guān)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。

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。

2.2 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。

2.3 魯棒性

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，合適的光源需要在實(shí)際工作中與其在實(shí)驗(yàn)室中有相同的效果。

合適的光源能夠使需要尋找的特征非常明顯，除了攝像頭能夠拍攝到部件外，合適的光源應(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。

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用關(guān)心的是反射光（使用背光除外）。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。如果能夠控制好光源的反射，那么就可以獲得優(yōu)質(zhì)的圖像。

2.4 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)定律大大簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺(jué)光源，因?yàn)槔硐氲男Ч梢酝ㄟ^(guò)控制光源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 物體表面

如果光源按照可預(yù)測(cè)的方式傳播，使機(jī)器視覺(jué)照明復(fù)雜化的原因是物體表面的變化。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，因此需要研究視野中的物體表面材料，并分析光源入射的反映。

2.6 控制反射

如果反射光可以控制，圖像的優(yōu)劣與否就可以控制了。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(guān)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)這樣的問(wèn)題：“如何才能讓物體顯現(xiàn)？”“如何才能應(yīng)用光源使必需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。

2.7 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(guān)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；而一張光滑的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到表面并按照入射角反射。

2.8 表面形狀

一個(gè)球形表面反射光源的方式與平面物體是不相同的。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。

2.9 光源均勻性

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。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)單地說(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。

第二，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）。

第三，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。

3. 灰度照明技術(shù)

在實(shí)際工作中，拍攝圖像時(shí)，最重要的是如何鮮明地獲得被測(cè)物與背景的明暗差異。目前，在圖像處理領(lǐng)域最常用的方法是二值化（黑白）處理。

二值化處理，俗稱(chēng)黑白處理，就是將圖像上的點(diǎn)的灰度設(shè)置為0或255，也就是說(shuō)整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，即將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位。要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣再對(duì)圖像做進(jìn)一步處理時(shí)，圖像的集合性質(zhì)只與像素值為0或255的點(diǎn)的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級(jí)值，使處理變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小。

為了得到理想的二值圖像，一般采用閾值法。所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為屬于特定物體，其灰度值為255表示；否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。如果某特定物體在內(nèi)部有均勻一致的灰度值，并且其處在一個(gè)具有其他等級(jí)灰度值的均勻背景下，使用閾值法就可以得到比較好的分割效果。如果物體同背景的差別表現(xiàn)不在灰度值上（比如紋理不同），可以將這個(gè)差別特征轉(zhuǎn)換為灰度的差別，然后利用閾值選取技術(shù)來(lái)分割該圖像，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化，可動(dòng)態(tài)觀(guān)察其分割圖像的具體結(jié)果。

3.1 直射和漫射照明

灰度照明分為直射照明和漫射照明兩種。

所謂直射照明就是光源的反射光直接進(jìn)入相機(jī)鏡頭，而漫射照明，亦稱(chēng)散亂光照明，就是光源的反射光不直接進(jìn)入鏡頭，而是經(jīng)過(guò)多級(jí)反射后進(jìn)入鏡頭。

兩種照明的光路具體形式如圖1所示。

圖1：直射照明和漫射照明

而對(duì)于同一個(gè)物體的拍攝，在直射照明和漫射照明兩種照明條件之下所得到的圖像差別是比較大的。如圖2所示，為同一物體在直射和漫射兩種照明方式下所獲得的圖像。

圖2：同一物體在直射和漫射兩種照明方式下所獲得的圖像

3.2 背向照明和前向照明

機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)中，照明方式大體上可以分為背向照明和前向照明兩大類(lèi)。

背向照明，即透射照明，是將光源置于物體的后面，這種照明方式能突出不透明物體的陰影或觀(guān)察透明物體的內(nèi)部，一些被檢測(cè)物件，經(jīng)過(guò)透射照明得到的圖像，更容易從背景圖像中分離出所需要的目標(biāo)特征。

而前向照明，是將光源置于物體的前面，主要是照射物體的表面缺陷、表面劃痕和重要的細(xì)節(jié)特征。

圖3：前向照明和背向照明的原理圖。

圖3顯示的是前向照明和背向照明的原理圖

透射照明是將被測(cè)物體置于相機(jī)和光源之間，優(yōu)點(diǎn)在于可將被測(cè)物體的邊緣輪廓清晰地勾勒出來(lái)。由于在圖像中，被測(cè)物被遮擋的部分為黑色，未被遮擋的部分為白色，因此，形成了黑白分明易于分析的圖像。

透射照明還可分中心照明和斜射照明兩種形式。

①中心照明：這是最常用的透射式照明法，其特點(diǎn)是照明光束的中軸與相機(jī)的光軸同在一條直線(xiàn)上。

②斜射照明：這種照明光束的中軸與相機(jī)的光軸不在一條直線(xiàn)上，而是與光軸形成一定的角度斜照在物體上，因此成斜射照明。

4. 彩色照明技術(shù)

4.1 光的三原色和色彩的三原色

光的三原色為：R（紅色）、G（綠色）和B（藍(lán)色）。而色彩三原色為：C（青色）、M（品紅）和Y（黃色）。光的三原色和色彩的三原色之間呈互補(bǔ)關(guān)系，如圖4所示。

圖4：色彩的互補(bǔ)

彩色照明，是利用光的三原色和色彩的三原色之互補(bǔ)關(guān)系原理的照明技術(shù)。

光的三原色是紅、綠、藍(lán)，即RGB這三種顏色的組合，形成幾乎所有的顏色。將這三種原色依次疊加，光線(xiàn)會(huì)越加越亮，兩兩混合可以得到更亮的中間色。三種等量組合可以得到白色。

（R）+（G）=（Y）；

（G）+（B）=（C）；

（R）+（B）=（M）；

（R）+（G）+（B）=（W）。

顏色是物體的化學(xué)結(jié)構(gòu)所固有的光學(xué)特性。一切物體呈色都是通過(guò)對(duì)光的客觀(guān)反映而實(shí)現(xiàn)的。

所謂“減色”，是指加入一種原色色料就會(huì)減去入射光中的一種原色色光（補(bǔ)色光）。因此，在色料混合時(shí)，從復(fù)色光中減去一種或幾種單色光，呈現(xiàn)另一種顏色的方法稱(chēng)為減色法。如圖5所示。

圖5：色彩減色原理圖

當(dāng)一束白光照射品紅濾色片時(shí)，如圖5（a）所示。根據(jù)補(bǔ)色的性質(zhì)，品紅濾色片吸收了R、G、B三色中G，而將剩余R和B透射出來(lái)，從而呈現(xiàn)了品紅色。

圖5（b）為青和品紅二原色色料等比例疊加的情況，當(dāng)白光照射青、品紅濾色片時(shí)，青濾色片吸收了R，品紅濾色片吸收了G，最后只剩下了B，也就是說(shuō)，青色和品紅色色料等比例混合呈現(xiàn)出藍(lán)色，表達(dá)式為：（C）+（M）=（B）。

同樣，青、黃二原色色料等比例混合得到綠色，即（C）+（Y）=（G）；品紅、黃二原色色料等量混合得到紅色，即（M）+（Y）=（R）。

而青、品紅、黃三種原色色料等比例混合就得到黑色，即（C）+（M）+（Y）=（Bk）。若先將黃色與品紅色混合得到中間色紅色，然后再與青色混合，上式可以寫(xiě)成：（R）+（C）=（Bk）。

類(lèi)似兩種色料相混合成為黑色，這兩種色料稱(chēng)為互補(bǔ)色料，這兩種顏色稱(chēng)為互補(bǔ)色。其意義在于給青色補(bǔ)充一個(gè)紅色可以得到黑色；反之，給紅色補(bǔ)充一個(gè)青色亦成為黑色。除了紅、青兩色是一對(duì)互補(bǔ)色外，在色料中，品紅與綠，黃與藍(lán)也各是一對(duì)互補(bǔ)色。由于三原色比例的多種變化，構(gòu)成補(bǔ)色關(guān)系的顏色有很多，并不僅限于以上幾對(duì)，只要兩種色料混合后形成黑色，就是一對(duì)互補(bǔ)色料。任何色料都有其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)色料。

不同的物體在白光下呈現(xiàn)不同的顏色，是由于不透明的物體在白光照射之下僅選擇性地反射某些顏色，而透明體則僅能選擇性的透過(guò)某些顏色，其他的色光在反射與透射的過(guò)程中均被物體吸收了。因此當(dāng)這些反射光或透射光進(jìn)入人的眼睛，就能看見(jiàn)物體呈現(xiàn)相應(yīng)的顏色。也正是由于物體對(duì)不同色光選擇性的反射、透射與吸收，一旦白光中混入其他色光不僅會(huì)造成偏色，還會(huì)改變景物或圖片中影調(diào)與色調(diào)的分布。例如，一旦白光中混入藍(lán)光，藍(lán)色物體由于將額外的藍(lán)光反射出來(lái)，顯得更鮮艷明亮，而紅色物體由于將藍(lán)光吸收，顏色將更灰暗。

4.2 顏色的反射與吸收

自然界的物體，每一種都呈現(xiàn)一定的顏色。這些顏色是由于光作用于物體才產(chǎn)生的。如果沒(méi)有光，人就無(wú)法看到任何物體的顏色。因此，有光的存在，才有物體顏色的體現(xiàn)。

從顏色角度來(lái)看，所有物體可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)是能向周?chē)臻g輻射光能量的自發(fā)光體，即光源，其顏色決定于它所發(fā)出光的光譜成分；另一類(lèi)是不發(fā)光體，其本身不能輻射光能量，但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈現(xiàn)顏色。

無(wú)論哪一種物體，只要受到外來(lái)光波的照射，光就會(huì)和組成物體的物質(zhì)微粒發(fā)生作用。由于組成物質(zhì)的分子和分子間的結(jié)構(gòu)不同，使入射的光分成幾個(gè)部分：一部分被物體吸收，一部分被物體反射，再一部分穿透物體，繼續(xù)傳播。

4.2.1 透射

透射是入射光經(jīng)過(guò)折射穿過(guò)物體后的出射現(xiàn)象。被透射的物體為透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等。若透明體是無(wú)色的，除少數(shù)光被反射外，大多數(shù)光均透過(guò)物體。

為了表示透明體透過(guò)光的程度，通常用入射光通量與透過(guò)后的光通量之比τ來(lái)表征物體的透光性質(zhì)，τ稱(chēng)為光透射率。

從色彩的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)透明體都能夠用光譜透射率分布曲線(xiàn)來(lái)描述，此光譜透射率分布曲線(xiàn)為一相對(duì)值分布。

通常在測(cè)量透射樣品的光譜透射率時(shí)，還應(yīng)以與樣品相同厚度的空氣層或參比液作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較測(cè)量。

4.2.2 吸收

物體對(duì)光的吸收有兩種形式：如果物體對(duì)入射白光中所有波長(zhǎng)的光都等量吸收，稱(chēng)為非選擇性吸收。例如白光通過(guò)灰色濾色片時(shí)，一部分白光被等量吸收，使白光能量減弱而變暗。

如果物體對(duì)入射光中某些色光比其他波長(zhǎng)的色光吸收程度大，或者對(duì)某些色光根本不吸收，這種不等量地吸收入射光稱(chēng)為選擇性吸收。物體呈現(xiàn)特殊顏色是因?yàn)槠浔砻娣瓷涔饩€(xiàn)的結(jié)果，反射光的波長(zhǎng)使觀(guān)察者產(chǎn)生了相應(yīng)的顏色視覺(jué)，而其余所有光線(xiàn)被物體吸收。例如，藍(lán)色物體反射藍(lán)色光，吸收紅、橙、綠和紫等其余大多數(shù)光波。紅色物體反射紅色光吸收橙、黃、綠、藍(lán)和紫色光，如圖6所示。

圖6：光的吸收與反射

另外表達(dá)物體色彩的重要因素是顏色狀態(tài)和表面效果。比如，物體可以呈球面或平面，陰暗或明亮，透明、不透明或半透明。還可具有金屬光澤、珠光、熒光的或磷光的效果。觀(guān)察角度變化色彩效果也不同。

4.2.3 反射

這里所說(shuō)的反射是指選擇反射，非透明體受到光照射后，由于其表面分子結(jié)構(gòu)差異而形成選擇性吸收，從而將可見(jiàn)光譜中某一部分波長(zhǎng)的輻射能吸收了，而將剩余的色光反射出來(lái)，這種物體稱(chēng)為非透過(guò)體或反射體。

不透明體反射光的程度，可用光反射率ρ來(lái)表示。光反射率可以定義為：被物體表面反射的光通量與入射到物體表面的光通量之比。

從色彩的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)反射物體對(duì)光的反射效應(yīng)，能夠以光譜反射率分布曲線(xiàn)來(lái)描述。光譜反射率定義為：在波長(zhǎng)λ的光照射下，樣品表面反射的光通量與入射光通量之比。

物體對(duì)光的反射有三種形式：理想鏡面的全反射、粗糙表面的漫反射及半光澤表面的吸收反射。

理想的鏡面能夠反射全部的入射光，但以鏡面反射角的方向定向反射。完全漫反射體朝各個(gè)方向反射光的亮度是相等的。實(shí)際生活中絕大多數(shù)彩色物體表面，既不是理想鏡面，也不是完全漫反射體，而是居二者之中，稱(chēng)為半光澤表面。

在機(jī)器視覺(jué)的照明方式中，運(yùn)用彩色照明恰到好處，往往能夠起到特別的幫助。巧妙地選擇照明色及運(yùn)用補(bǔ)色的手法，可對(duì)難以拍攝的物體取得優(yōu)質(zhì)的圖像。

例如，為檢驗(yàn)晶片的破損，在紅光和綠光兩種彩色照明的條件下會(huì)得到相差較大的效果。圖7（a）為紅光照明下所得到的圖像，晶片中導(dǎo)線(xiàn)模糊一片。而圖7（b）為綠光照明下所得到的圖像，晶片上的導(dǎo)線(xiàn)清晰可見(jiàn)，從而得到預(yù)想的效果。

圖7：用紅光（左）和綠光（右）檢查晶片

4.3 顯色性

顯色性，表示某光源照射到物體上所顯出來(lái)的顏色與太陽(yáng)光照射下該物體顏色相符合的程度。也就是說(shuō)光源能否正確地呈現(xiàn)物體顏色的性能。光源的顯色指數(shù)用Ra表示。顯色性高的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較好，所見(jiàn)到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，所見(jiàn)到的顏色偏差也較大。

國(guó)際照明委員會(huì)CIE把太陽(yáng)的顯色指數(shù)定為100，各類(lèi)光源的顯色指數(shù)各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數(shù)Ra=23，熒光燈管顯色指數(shù)Ra=60～90。

顯色分兩種：忠實(shí)顯色和效果顯色。忠實(shí)顯色，表示能正確表現(xiàn)物質(zhì)本來(lái)的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源，其數(shù)值接近100，顯色性最好。效果顯色，表示要鮮明地強(qiáng)調(diào)特定色彩，表現(xiàn)美的生活可以利用加色的方法來(lái)加強(qiáng)顯色效果；采用低色溫光源照射，能使紅色更加鮮艷；采用中等色溫光源照射，使藍(lán)色具有清涼感；采用高色溫光源照射，使物體有冷的感覺(jué)。

顯色性指數(shù)的高低，就表示物體在待測(cè)光源下“變色”和“失真”的程度。例如，在日光下觀(guān)察一幅畫(huà)，然后拿到高壓汞燈下觀(guān)察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，某些顏色已變了色。如粉色變成了紫色，藍(lán)色變成了藍(lán)紫色。因此，在高壓汞燈下，物體失去了“真實(shí)”顏色，如果在黃色光的低壓鈉燈底下來(lái)觀(guān)察，則藍(lán)色會(huì)變成黑色，顏色失真更厲害，顯色指數(shù)更低。光源的顯色性是由光源的光譜能量分布決定的。日光、白熾燈具有連續(xù)光譜，連續(xù)光譜的光源均有較好的顯色性。

研究發(fā)現(xiàn)，除連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性外，由幾個(gè)特定波長(zhǎng)色光組成的混合光源也有很好的顯色效果。如450nm的藍(lán)光，540nm的綠光，610nm的橘紅光以適當(dāng)比例混合所產(chǎn)生的白光，雖然為高度不連續(xù)光譜，但卻具有良好的顯色性。用這樣的白光去照明各色物體，都能得到很好的顯色效果。

光源的顯色性以一般顯色性指數(shù)Ra值區(qū)分：當(dāng)Ra值為100～75時(shí)，顯色優(yōu)良；當(dāng)Ra值為75～50時(shí)，顯色一般；當(dāng)Ra值為50以下時(shí)，顯色性差。幾種光源的顯色指數(shù)，如圖8所示。

圖8：各種光源的顯色指數(shù)

光源顯色性和色溫是光源的兩個(gè)重要的顏色指標(biāo)。色溫是衡量光源色的指標(biāo)，而顯色性是衡量光源視覺(jué)質(zhì)量的指標(biāo)。假若光源色處于人們所習(xí)慣的色溫范圍內(nèi)，則顯色性應(yīng)是光源質(zhì)量的更為重要的指標(biāo)。這是因?yàn)轱@色性直接影響著人們所觀(guān)察到的物體的顏色。

5. LED照明技術(shù)

目前，應(yīng)用在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的LED光源可以分為2大類(lèi)：一類(lèi)是正面照明，一類(lèi)是背面照明。

正面照明用于檢測(cè)物體表面特征，背面照明用于檢測(cè)物體輪廓或透明物體的純凈度。

正面光源按照光源結(jié)構(gòu)分，有環(huán)形燈、條形燈、同軸燈和方形燈。

5.1 環(huán)形LED光源

環(huán)形狀的光源是不會(huì)看到影子的光源方式。它又包括直射環(huán)形、漫反射環(huán)、Dome燈等；按照角度又可分為：完全直射環(huán)形、帶角度環(huán)形、低角度環(huán)形等。直射環(huán)形適合高速檢測(cè)遠(yuǎn)距離照射；漫反射環(huán)形適合檢測(cè)反光物體檢測(cè)；Dome燈即圓頂型散射光源主要用于檢測(cè)球型或曲面物體檢測(cè)，它不是直接照射，而是通過(guò)多次漫反射照到被測(cè)物體，光照效果類(lèi)似陰天的太陽(yáng)光。

環(huán)形光源，采用LED按圓周排列，發(fā)出的光線(xiàn)向內(nèi)匯聚，多用于金屬工件刻印字符、光滑表面劃痕、瓶口尺寸或裂紋、平面工件表面質(zhì)量等的檢測(cè)。光源發(fā)出的光不直接進(jìn)入相機(jī)，瑕疵等表面的變化引起光線(xiàn)改變方向進(jìn)行鏡頭，從而實(shí)現(xiàn)了高對(duì)比度，一般黑背景均用此類(lèi)光源實(shí)現(xiàn)。光源的尺寸和光線(xiàn)角度等選擇直接依賴(lài)于被測(cè)工件的光學(xué)性質(zhì)。

5.1.1 直射環(huán)形光源

直接照射環(huán)形光源，按照射角度分，有直射環(huán)形（垂直照射），帶角度環(huán)形，低角度環(huán)形和水平照射環(huán)形等。不同的角度適合不同的檢測(cè)要求。

5.1.1.1 直射環(huán)形（垂直照射）光源

圖9為直射環(huán)形光源的照明方式。例如，采用該照明方式，可用于金屬齒輪的外形檢測(cè)。

圖9：直射環(huán)形光源的照明方式

5.1.1.2 帶角度環(huán)形光源

圖10為帶角度環(huán)形光源的照明方式。

圖10：帶角度環(huán)形光源的照明方式

5.1.1.3 低角度環(huán)形光源

照射角度很低，有利于突出邊緣輪廓。多應(yīng)用場(chǎng)合于晶片或玻璃底基上的劃痕監(jiān)測(cè)；刻印文字的讀取；工作邊緣輪廓抽取檢查等。圖11為低角度環(huán)形光源的照明方式。例如，采用該照明方式，可實(shí)現(xiàn)電池底部刻印的檢測(cè)。

圖11：低角度環(huán)形光源的照明方式

5.1.1.4 水平照射環(huán)形光源

圖12為水平照射環(huán)形光源的照明方式。該照明方式可用于玻璃瓶口破損的檢測(cè)。

圖12：水平照射環(huán)形光源的照明方式

5.1.1.5 無(wú)影環(huán)形光源

又稱(chēng)為Dome燈，通過(guò)半球形的內(nèi)壁多次反射，可以完全消除陰影，實(shí)現(xiàn)全空間區(qū)域的漫射光照明，對(duì)于凹凸不平的表面檢測(cè)起到特殊作用，主要用于球形或曲面物體缺陷檢測(cè)、金屬、鏡面或玻璃等具有光澤物體的表面檢測(cè)。

圖13為無(wú)影環(huán)形光源的照明方式。

圖13：無(wú)影環(huán)形光源的照明方式

5.1.2 條形光源

條形光源主要有兩個(gè)應(yīng)用，一個(gè)是寬幅檢測(cè)，2個(gè)或4個(gè)條形組合使用；另一個(gè)是線(xiàn)掃描的照明。

將條形光源組合使用，它的最大特點(diǎn)是每個(gè)方向的光源照射角度可調(diào)，因?yàn)楣庠吹恼丈浣嵌葘?duì)最終的圖像效果有很大影響。靈活性比較大，但調(diào)試時(shí)也相對(duì)費(fèi)事一些。圖14為寬幅檢測(cè)條形光源的照明方式。例如，該照明方式可用于商品的印字檢測(cè)。

圖14：條形環(huán)形光源的照明方式

線(xiàn)掃描照明，也稱(chēng)聚光光源，是配合線(xiàn)掃描相機(jī)使用的。線(xiàn)掃描相機(jī)每次都是采集一條線(xiàn)，且曝光時(shí)間短，對(duì)光源亮度要求很高。對(duì)光源和相機(jī)來(lái)說(shuō)，有效的工作區(qū)域都是一個(gè)窄條。也就是保證光源照在這個(gè)最亮的窄條與相機(jī)芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個(gè)亮點(diǎn)。所以線(xiàn)光源有兩個(gè)特別的要求，就是均勻性和直線(xiàn)性。因?yàn)榫€(xiàn)光源不同位置的亮暗差異，會(huì)直接影響圖像的亮度高低。光源需要采用聚光鏡，使光線(xiàn)集中照到一條線(xiàn)上，這樣才能準(zhǔn)確控制圖像的穩(wěn)定性。出光部分的直線(xiàn)性，取決于LED發(fā)光角度的一致性、聚光透鏡的直線(xiàn)性以及線(xiàn)光源外殼的直線(xiàn)性。圖15為線(xiàn)掃描條形光源的照明方式。

圖15：線(xiàn)掃描條形光源的照明方式

線(xiàn)掃描照明，常用的有幾種辦法：超高亮LED+聚光鏡、光纖+聚光鏡、高頻熒光燈+聚光鏡。其中第二種方案亮度特高，成本也較高，需要定期更換鹵素?zé)襞荩坏谌N方案成本低，但要使用高頻電源。

5.1.3 同軸光源

同軸照明是指照明光線(xiàn)平行地穿越固定式同軸鏡頭的垂直面，對(duì)于觀(guān)察非常平整或拋光的表面是非常理想的，例如鏡子表面的劃痕或者其他瑕疵。

圖16為同軸光源的照明方式。LED的高亮度均勻的光線(xiàn)通過(guò)半透半反鏡后成為與鏡頭同軸的光線(xiàn)，用于均勻照射具有反射性的工作界面，對(duì)光潔表面上的異常特征成像突出，表現(xiàn)力好，主要用于金屬玻璃等光潔表面的劃痕檢測(cè)，芯片和硅片的破損檢測(cè)，PC模板的圓譜等的檢測(cè)。同時(shí)，同軸光的光源位于照明光路的側(cè)面，這樣的照射方式可以減少光路的復(fù)雜性，避免光源的放置給光路帶來(lái)的不必要的麻煩。例如，軸承外側(cè)傷痕檢測(cè)。

同軸光源屬于類(lèi)平行光的應(yīng)用，光源前面帶漫反射板，形成二次光源，光源主要方向趨于平行，但是有少量非平行光成分。

但是需要注意的是：同軸燈可以消除反光，但只適合檢測(cè)平面的物體，而不適合檢測(cè)有弧度的物體。因?yàn)橥S燈讓相機(jī)只能接收與物體垂直，也就是和鏡頭同軸的光線(xiàn)，所以就叫同軸燈。

圖16：同軸光源的照明方式

同軸光源還有一種，就是點(diǎn)光源。因?yàn)辄c(diǎn)光源是和同軸鏡頭配合使用。事實(shí)上，只是把上面同軸燈45°半透半反的玻璃，移植到鏡頭里面去，所以選的是同軸鏡頭。點(diǎn)光源的發(fā)光部分為一個(gè)很小的圓面，近似一個(gè)點(diǎn)。可組合使用重點(diǎn)照明或補(bǔ)光照明。例如，用于細(xì)小元件的外觀(guān)檢測(cè)，是否有裂縫、破損，或者電極位置。

5.1.4 背光源

背光的作用就是讓透光和不透光的部分，區(qū)分開(kāi)來(lái)：透光的地方呈白色，不透光呈黑色。這樣取得一個(gè)黑白對(duì)比的圖片。選擇光源一個(gè)是選型，一般需要均勻性好；二是看穿透力，如果需要穿透力強(qiáng)的話(huà)就可以選紅外光源，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)長(zhǎng)，穿透力更強(qiáng)。

LED燈用于背面照明（檢測(cè)物體輪廓或通明物體的純凈度），其發(fā)光部分為一漫射面，均勻性好，用于觀(guān)察放在鏡頭和光源之間的被檢查對(duì)象的形狀，透明物體的傷痕，異物混入等的檢查?？梢缘玫綄?duì)比強(qiáng)、穩(wěn)定的成像。但是安裝時(shí)，需要比物體更大的光源發(fā)光面，在物體的后方設(shè)置光源空間等。

圖17為L(zhǎng)ED背光源的照明方式。

圖17：LED背光源的照明方式

5.1.5 機(jī)器視覺(jué)LED光源顏色選型

光源一般有紅、綠、藍(lán)、白、紅外和紫色等顏色。

紅色用得最多，因?yàn)榧t色LED成本低，并且黑白CCD芯片對(duì)660nm紅色光線(xiàn)最敏感。

藍(lán)色波長(zhǎng)短，適合檢測(cè)金屬物體表面質(zhì)量。

紫外的波長(zhǎng)更短，其散射性更好。

白色是中性顏色，適合拍彩色圖片，或者被測(cè)物體的顏色在變化的。

綠色的亮度很高，且波長(zhǎng)和藍(lán)色接近，所以有時(shí)可用綠色代替藍(lán)色。

紅外用于半透明等的物體檢測(cè)。

使用相同顏色的光或相近顏色的光源照射可以使被照射部分變亮；使用相反顏色的光或相反顏色的光源照射可以使被照射部分變暗。

不同的波長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)的穿透力（穿透率）不同，波長(zhǎng)越短，對(duì)物體的穿透力愈強(qiáng)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)表面的擴(kuò)散率愈大。

5.1.6 LED照明方式的選擇

一般情況下，在選擇光源時(shí)需要考慮五個(gè)技術(shù)方面的因素：方向、光譜、偏振性、強(qiáng)度、均勻性。

然后根據(jù)了解的相關(guān)前提信息，包括：

①檢測(cè)內(nèi)容，如外觀(guān)檢查、尺寸測(cè)量、定位等；

②被測(cè)物的形態(tài)、顏色、材料、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等；

③相應(yīng)的限制條件，如工作距離、工作條件、工作環(huán)境和相機(jī)類(lèi)型等，選擇出合適的光源類(lèi)型。

最后再根據(jù)預(yù)算、使用習(xí)慣、品牌知名度等對(duì)不同品牌的相同或類(lèi)似類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行比較選擇。

在選擇光源時(shí)，都習(xí)慣性的有一個(gè)假設(shè)前提：這個(gè)光源是穩(wěn)定可靠的。因?yàn)楣庠?、相機(jī)、鏡頭此類(lèi)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)前端的產(chǎn)品通常是在接近理想的清潔或者良好的環(huán)境中使用的。但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上的光源等產(chǎn)品經(jīng)常必須在有毒、高溫、強(qiáng)濕、骯臟的環(huán)境中運(yùn)行，并且必須要承受振動(dòng)和熱應(yīng)力，因此，工業(yè)用途中使用的光源等產(chǎn)品需要在設(shè)計(jì)、選料、生產(chǎn)的時(shí)候就考慮到特殊的使用環(huán)境并使其產(chǎn)品能使用這種環(huán)境的應(yīng)用。

選擇光源的一些技巧：

①當(dāng)需要前景與背景更大的對(duì)比度時(shí)，可以考慮用黑白相機(jī)與彩色光源；

②對(duì)于環(huán)境光的問(wèn)題，可以嘗試用單色光源，再搭配一個(gè)濾鏡；

③對(duì)于閃光的曲面物體，可以用散射圓頂光源；

④對(duì)于閃光的平的物體，但是粗糙的表面，可以用同軸散射光源；

⑤如果檢測(cè)物體表面的形狀，可以用低角度光源；

⑥檢測(cè)塑料的時(shí)候，可以用紫外或紅外光源；

⑦當(dāng)需要通過(guò)反射的表面看特征時(shí)，可以用低角度線(xiàn)光源；

⑧當(dāng)單個(gè)光源不能有效解決問(wèn)題時(shí)可以用組合光源。

編輯：黃飛

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