機器視覺光源照明設(shè)計基本要素

　　2.1 反射系數(shù)

　　從物體反射出的光量是可以度量的。有兩種不同的反射方法：

　　a) 鏡面反射：入射角等于出射角。

　　b) 漫反射：由于物體表面不平，出射光方向各異。

　　2.2 顏色

　　也就是光譜分布，我們從三個角度來衡量顏色：

　　a) 波長：比如綠光的波長為550nm。

　　b) 兩種或兩種以上光波的混合比：混合的目的是為了產(chǎn)生另一種光。比如黃光(波長620nm)和藍光(波長480nm)混合在一起便會成為綠光，然而實際上，光譜的分布中并沒有綠光的分布。

　　c) 補色：從白光中移除的那部分光與剩余的光互為補色光。比如，白色金屬鐵和黃色金屬金顏色不同并不是金反射的黃光比鐵多，而是反射的藍光比鐵少。白光中去除藍光即為黃光。

　　2.3 光密度

　　由于不同物體材料、厚度和化學(xué)性質(zhì)不同，所以投射光的數(shù)量和強度也不同。光密度會在整個光譜范圍不同，或者只在某一個范圍不同。一般來說，背光是鑒別光密度不同的最好方法。

　　2.4 折射

　　不同透明物質(zhì)折射率不同，所以它們會以不同的方式影響光的傳播。比如，空氣氣泡混合在玻璃里面，當光線直射時，會出現(xiàn)或明或暗的氣泡邊緣。

　　2.5 紋理

　　物體表面紋理有些是可辨識的，有些是過于微小無法處理的，但是它會影響光線的反射。有些情況下，紋理非常重要，必須用光源來突出它;而另外一些情況下，紋理則相當于噪聲，必須用光源來突出其它而弱化紋理。

　　2.6 深度

　　用直射光可以突出物體的深度(影子效應(yīng))，而散射光則可以弱化物體的深度。

　　2.7 表面曲向

　　由于曲率的不同，表面各處呈現(xiàn)的特性不一樣。折射光往往會突出這些特性，而散射光會削弱這些特性。

　　3 照明技術(shù)

　　3.1 一般目的的照明

　　通用照明一般采用環(huán)狀或點狀照明。環(huán)燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。

　　3.2 背光照明

　　背光照明是將光源放置在相對于攝像頭的物體的背面。這種照明方式與別的照明方式有很大不同因為圖像分析的不是發(fā)水光而是入射光。背光照明產(chǎn)生了很強的對比度。應(yīng)用背光技術(shù)時候，物體表面特征可能會丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。

　　3.3 同軸照明

　　同軸照明是與攝像頭的軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。半反射鏡面只讓從物體表面反射垂直于透鏡的光源通過。同軸照明技術(shù)對于實現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外此技術(shù)還可以實現(xiàn)使表面角度變化部分高亮，因為不垂直于攝像頭鏡頭的表面反射的光不會進入鏡頭，從而造成表面較暗。

　　3.4 連續(xù)漫反射照明

　　連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復(fù)雜的角度。連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170立體角范圍的均勻照明。

　　3.5 暗域照明

　　暗域照明是相對于物體表面提供低角度照明。使用相機拍攝鏡子使其在其視野內(nèi)，如果在視野內(nèi)能看見光源就認為使亮域照明，相反的在視野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明還是暗域照明與光源的位置有關(guān)。典型的，暗域照明應(yīng)用于對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

　　3.6 結(jié)構(gòu)光

　　結(jié)構(gòu)光是一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光(如線形、圓形、正方形)。典型的結(jié)構(gòu)光涉及激光或光纖。結(jié)構(gòu)光可以用來測量相機到光源的距離。多軸照明：在許多應(yīng)用中，為了使視野下不同的特征表現(xiàn)不同的對比度，需要多重照明技術(shù)。

　　4 選擇光源

　　一旦選擇了照明技術(shù)，接下來就是選擇何種光源的問題了。光源應(yīng)該照明形狀的需要，需要有足夠的均勻度，且穩(wěn)定性能要好。在機器視覺應(yīng)用中選擇光源應(yīng)該考慮下面的有關(guān)光源的特性：

　　光譜特征：

　　光源的顏色及測量物體表面的顏色決定了反射到攝像頭的光能的大小及波長。白光或某種特殊的光譜在提取其他顏色的特征信息時可能使比較重要的因素。當分析多顏色特征的時候，選擇光源的時候，色溫是一個比較重要的因素。例如，鹵燈更多表現(xiàn)為黃色，相比氙燈顯現(xiàn)藍色。

　　效率：

　　有些光源效率很高，相對于能量的消耗，其散發(fā)出更加多的光能，例如熒光燈。而鎢燈，產(chǎn)生相當多的熱量，能量消耗也很大。效率不高的光源產(chǎn)生局部過熱，浪費很多。一般，光源的溫度越高，其壽命就會縮短，其消耗的能量就相對較高。

　　5 壽命特性

　　光源一般需要持續(xù)多小時的使用。一個壽命為1000小時的光源，在兩班運轉(zhuǎn)的情況下，只能持續(xù)一個星期左右。更換光源燈泡的維護就必須了。LED光源是比較流行的光源，其可以連續(xù)工作很長時間，大約可以連續(xù)操作100，100小時。對多數(shù)光源，隨著光源的老化，光源釋放的能量會減少，根據(jù)光源類型的不同，光能減小可能速度比較滿，也可能很快很明顯。光能輸出的變化可能也影響著光譜特性。當光源的老化速度影響到圖像處理結(jié)果的時候就可以注意光源的變化了。

　　6 費用

　　許多光源需要在視覺系統(tǒng)的使用過程中更換。如果光源很昂貴，在機器視覺的使用過程中可能會增大后期費用。另外，光源應(yīng)該在市場上較容易購買。