技術文章
機器視覺光源照明技術說明及其圖像處理
日期：2018-01-24
來源：三姆森科技
一、機器視覺光源照明技術的幾個要素
1、方向：選擇不同的光源，控制和調節照射到物體上的入射光的方向是機器視覺系統設計的最基本的參數。它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置。
1）直射光：入射光基本上來自一個方向，射角小，它能投射出物體陰影；
2）散射光：入射光來自多個方向，甚至于所有的方向，它不會投射出明顯的陰影。
2、光譜：光是由單一的或多種成份的光譜組成的，例如日光的光譜就是由從紅外到紫外的所有光譜組成的，人眼能感覺的光譜范圍在380nm至780nm之間，即從紅色780nm到紫色380nm。光的顏色，取決于光源所產生的光的類型，以及覆蓋在光源或攝像機鏡頭上的光學濾色鏡。
3、偏振性：（PolarizaTIon）又稱極化光，是光波的一種特性，光在傳播時和電磁波一樣是震蕩的，一般的光波的震蕩方向是不定的，而極化光的震蕩方向處在一個確定的平面上，例如線性極化光的振蕩軸與傳播方向垂直。光波的這種定向性，在鏡面式的反射光中保留了這種偏振性，而漫散式的反射光則丟失了。這樣就可以使用光線的偏振性使鏡面眩光掠過攝像機鏡頭，來消除鏡面反射光的影響。
1）強度：光照的強度會影響攝像機的曝光，光線不足則意味著低對比度，就要加大放大倍數，就可能同時將噪音放大，也可能會使鏡頭的光圈加大，但景深減小了，增加了散熱的可能？反過來，強度過大會浪費能量，并帶來散熱的問題。
2）均勻性：在所有的機器視覺應用中，都會要求均勻的光照，因為所有的光源隨著距離的增加和照射角的偏離，其照射強度減小，所以在對大面積物體照明時，會帶來較大的問題，有時只能做到視場的中心位置保持均勻。
二、影響機器視覺照明的幾個特性
1、反射特性：從物體反射入射光的性能，有二種很不同的反射特性。
1)、鏡面式反射：光線的反射角等于入射角。鏡面式反射有時用途很大，有時又可能產生極強的眩耀。在大多數情況應避免鏡面反射。
2)、漫散：照射到物體上的光從各個方向漫散出去。在大多數實際情況下，漫散光在某個角度范圍內形成，并取決于入射光的角度。
2、顏色：人眼或攝像機觀察到的顏色可能是由三種不同的方式形成的：
直接從照射光的波長來區分顏色。例如在580nm附近波長的光為綠色，利用此波長光照射綠色物體，從而特出物體和背景差異；
1)、相加色：二種或三種波長的光組合成某種波長光的效果，例如黃色光（波長為620nm）和藍色光（波長為480nm）混合，出現綠色光的效果，但實際上在光譜的綠色部分并沒有這一光譜段的能量。利用光的這一特性，發明了彩色電視，電視監視器中由紅、綠、藍三基色可基本上合成自然界的各種顏色。
2)、相減色：反射時，從光譜中去除某些波長的光。含有所有可見光譜的白光，照射到紅色物體后，紅色光譜被反射，而其它成份被物體吸收了。例如白的金屬如鋼，黃色金屬如金。它們之間的顏色的差別是因為鋼較均勻地反射所有光譜的光，而金反射了白光，但從中減去了藍光，就會出現黃顏色的效果。
3、光學密度：不同物質、不同厚度或不同化學特性的物體，在光線穿過它們時，穿透率是不同的。這種差異可能在整個光譜范圍內存在，也可能只存在于光譜的某些點。一般來說，背光是檢測光學密度差異的最好辦法。
4、折射：不同的透明物質，具有不同的折散率。它們用不同方向傳送入射光。例如空氣和玻璃的折射率不同，當定向光以某個方向照射時，在玻璃中的氣泡使光線彎曲，以致于產生黑的或亮的氣泡輪廓。
5、紋理：物體表面的紋理在圖像處理時可能是有用的；也可能紋理太細了，以致無法分辨，但它又會影響到光的反射。有時紋理是重要的，應該用光照來加強，而有時紋理又是不需要的，它會引起噪音的效果，應該用光照來減弱紋理的影響。
6、高度：物體中不同高度的特征可以用定向光來加強或者用漫射光來減弱高度的影響。
7、表面方向：物體表面不同部位的相對方向的差異可以用定向光來加強，也可用漫散光來減弱。
三、機器視覺圖像處理選擇照明光源的三個步驟
1、確定照明類型（鏡面反射/漫反射/透射光）
確認檢驗特征（瑕疵、形狀、存在/不存在等），檢查表面是否平整、翹曲或不平。
LED照明大體可分為以下三種類型：
1)、鏡面反射型：光線照射到目標上，鏡頭接收到直接反射的光線
2）、漫反射型：光線照射到目標上，鏡頭接收到均勻的環境光線
3）、透射光型：光線照射到目標上，鏡頭接收到透射剪影。
2、確定照明裝置的形狀與大小
根據檢查目標的尺寸與安裝條件選擇照明的方法與形狀
1）、環形照明
2）、低角度環形照明
3）、背光照明
4）、條形照明
5）、碗狀照明
6）、同軸照明
7）、光纖冷光源
3、確定照明的顏色和波長
1）、根據檢查目標與背景的材質和顏色。如：紅、白、藍。
2）、根據目標與背景來確定照明的顏色。
3）、使用互補色進行檢測
什么是互補色？
互補色是色環中正好相對的顏色。使用互補色光線照射物體時，物體呈現的顏色將接近黑色。我們根據色彩圓盤，用相反的顏色照射，可以達到最高級別的對比度。如，用冷色光照射暖色光的物體，顏色會變暗；用冷色光照射冷色光的物體，顏色則會變亮。使用彩色照相機時，通常選擇白色。使用單色照相機時，需要具備以下知識。
4）、根據使用波長進行檢測
使用紅色照明獲得的對比度高于使用藍色照明，因為前者透過性更好（散射率更低）。不同波長的光線呈現不同的顏色。波長決定特定顏色的特征，如容易透射（紅光—波長較長）、容易散射（藍光—波長較短）。
1、方向：選擇不同的光源，控制和調節照射到物體上的入射光的方向是機器視覺系統設計的最基本的參數。它取決于光源的類型和相對于物體放置的位置。
1）直射光：入射光基本上來自一個方向，射角小，它能投射出物體陰影；
2）散射光：入射光來自多個方向，甚至于所有的方向，它不會投射出明顯的陰影。
2、光譜：光是由單一的或多種成份的光譜組成的，例如日光的光譜就是由從紅外到紫外的所有光譜組成的，人眼能感覺的光譜范圍在380nm至780nm之間，即從紅色780nm到紫色380nm。光的顏色，取決于光源所產生的光的類型，以及覆蓋在光源或攝像機鏡頭上的光學濾色鏡。
3、偏振性：（PolarizaTIon）又稱極化光，是光波的一種特性，光在傳播時和電磁波一樣是震蕩的，一般的光波的震蕩方向是不定的，而極化光的震蕩方向處在一個確定的平面上，例如線性極化光的振蕩軸與傳播方向垂直。光波的這種定向性，在鏡面式的反射光中保留了這種偏振性，而漫散式的反射光則丟失了。這樣就可以使用光線的偏振性使鏡面眩光掠過攝像機鏡頭，來消除鏡面反射光的影響。
1）強度：光照的強度會影響攝像機的曝光，光線不足則意味著低對比度，就要加大放大倍數，就可能同時將噪音放大，也可能會使鏡頭的光圈加大，但景深減小了，增加了散熱的可能？反過來，強度過大會浪費能量，并帶來散熱的問題。
2）均勻性：在所有的機器視覺應用中，都會要求均勻的光照，因為所有的光源隨著距離的增加和照射角的偏離，其照射強度減小，所以在對大面積物體照明時，會帶來較大的問題，有時只能做到視場的中心位置保持均勻。
二、影響機器視覺照明的幾個特性
1、反射特性：從物體反射入射光的性能，有二種很不同的反射特性。
1)、鏡面式反射：光線的反射角等于入射角。鏡面式反射有時用途很大，有時又可能產生極強的眩耀。在大多數情況應避免鏡面反射。
2)、漫散：照射到物體上的光從各個方向漫散出去。在大多數實際情況下，漫散光在某個角度范圍內形成，并取決于入射光的角度。
2、顏色：人眼或攝像機觀察到的顏色可能是由三種不同的方式形成的：
直接從照射光的波長來區分顏色。例如在580nm附近波長的光為綠色，利用此波長光照射綠色物體，從而特出物體和背景差異；
1)、相加色：二種或三種波長的光組合成某種波長光的效果，例如黃色光（波長為620nm）和藍色光（波長為480nm）混合，出現綠色光的效果，但實際上在光譜的綠色部分并沒有這一光譜段的能量。利用光的這一特性，發明了彩色電視，電視監視器中由紅、綠、藍三基色可基本上合成自然界的各種顏色。
2)、相減色：反射時，從光譜中去除某些波長的光。含有所有可見光譜的白光，照射到紅色物體后，紅色光譜被反射，而其它成份被物體吸收了。例如白的金屬如鋼，黃色金屬如金。它們之間的顏色的差別是因為鋼較均勻地反射所有光譜的光，而金反射了白光，但從中減去了藍光，就會出現黃顏色的效果。
3、光學密度：不同物質、不同厚度或不同化學特性的物體，在光線穿過它們時，穿透率是不同的。這種差異可能在整個光譜范圍內存在，也可能只存在于光譜的某些點。一般來說，背光是檢測光學密度差異的最好辦法。
4、折射：不同的透明物質，具有不同的折散率。它們用不同方向傳送入射光。例如空氣和玻璃的折射率不同，當定向光以某個方向照射時，在玻璃中的氣泡使光線彎曲，以致于產生黑的或亮的氣泡輪廓。
5、紋理：物體表面的紋理在圖像處理時可能是有用的；也可能紋理太細了，以致無法分辨，但它又會影響到光的反射。有時紋理是重要的，應該用光照來加強，而有時紋理又是不需要的，它會引起噪音的效果，應該用光照來減弱紋理的影響。
6、高度：物體中不同高度的特征可以用定向光來加強或者用漫射光來減弱高度的影響。
7、表面方向：物體表面不同部位的相對方向的差異可以用定向光來加強，也可用漫散光來減弱。
三、機器視覺圖像處理選擇照明光源的三個步驟
1、確定照明類型（鏡面反射/漫反射/透射光）
確認檢驗特征（瑕疵、形狀、存在/不存在等），檢查表面是否平整、翹曲或不平。
LED照明大體可分為以下三種類型：
1)、鏡面反射型：光線照射到目標上，鏡頭接收到直接反射的光線
2）、漫反射型：光線照射到目標上，鏡頭接收到均勻的環境光線
3）、透射光型：光線照射到目標上，鏡頭接收到透射剪影。
2、確定照明裝置的形狀與大小
根據檢查目標的尺寸與安裝條件選擇照明的方法與形狀
1）、環形照明
2）、低角度環形照明
3）、背光照明
4）、條形照明
5）、碗狀照明
6）、同軸照明
7）、光纖冷光源
1）、根據檢查目標與背景的材質和顏色。如：紅、白、藍。
2）、根據目標與背景來確定照明的顏色。
3）、使用互補色進行檢測
什么是互補色？
互補色是色環中正好相對的顏色。使用互補色光線照射物體時，物體呈現的顏色將接近黑色。我們根據色彩圓盤，用相反的顏色照射，可以達到最高級別的對比度。如，用冷色光照射暖色光的物體，顏色會變暗；用冷色光照射冷色光的物體，顏色則會變亮。使用彩色照相機時，通常選擇白色。使用單色照相機時，需要具備以下知識。
4）、根據使用波長進行檢測
使用紅色照明獲得的對比度高于使用藍色照明，因為前者透過性更好（散射率更低）。不同波長的光線呈現不同的顏色。波長決定特定顏色的特征，如容易透射（紅光—波長較長）、容易散射（藍光—波長較短）。
