機器視覺中的光源照明設計

楊薇 宋林潞 李思琦 劉詩琨

摘要：介紹了光源照明技術在機器視覺中的重要性。通過對光源照明設計中光源種類和基礎照明及影響因素等諸多技術的理論分析，探究了設計光源照明系統(tǒng)時方法。

關鍵詞：機器視覺;光源照明

引言

機器視覺是計算機科學的一個分支，是用機器代替人眼做各種測量和判斷。一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括圖像采集、圖像處理、運動控制部分等。圖像采集是一個重要的環(huán)節(jié)，它將被測物的可視化圖像和特征轉化為能被計算機處理的一系列數(shù)據(jù)。圖像采集部分由光源、光學照明系統(tǒng)、被測物、鏡頭、攝像機構成，采集過程可描述為：在光源提供照明的條件下，被測物的圖像經(jīng)過鏡頭在攝像機傳感器上得到清晰的圖像，傳感器將圖像轉換為模擬或數(shù)字視頻信號，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。

因此，進行合理的光源照明設計，使被測物中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大幅降低圖像處理算法分割和識別的難度，同時提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性得到提高。反之，如果光源照明設計不當，會導致在圖像處理算法設計和成像系統(tǒng)設計中事倍功半。光源照明設計是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。光源照明設計要考慮多方面問題，主要是光源的種類和特性、基礎照明技術、目標及其背景的光反射和傳送特性。

1 光源照明技術

1.1光源種類和特性

理想的光源應該是明亮、均勻、穩(wěn)定的。光源種類較多，根據(jù)發(fā)光器件本身可以分為鹵素燈、熒光燈、LED燈、氙燈等，目前的發(fā)展趨勢是LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管光源的使用。LED光源的最大優(yōu)點是發(fā)光效率高、響應速度快、體積小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長、易于組成不同形狀的光源等。

1.2基礎照明技術

機器視覺照明設計的任務就是使被測物的特征與背景圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征區(qū)分。通常涉及以下照明技術：（1）明/暗場照明。暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明，使用攝像機拍攝物體，如果鏡頭處在反射光線的視野內，屬于明場照明，否則是暗場照明。因此是明場照明還是暗場照明與攝像機和光源的相對位置有關。（2）背光照明。從物體背面射過來均勻視場的光，背光照明產(chǎn)生了較強的對比度，常用于測量物體的尺寸和定物體的方向，但物體表面特征可能會丟失。（3）漫射照明。常應用于反射性不規(guī)律或有復雜角度的物體表面，以減小陰影及鏡面反射。（4）同軸照明。對檢測強反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環(huán)境產(chǎn)生陰影影響檢測或面積不明顯的物體。（5）結構光照明。典型的結構光有激光和光纖，結構光可以用于測量相機到光源的距離。

1.3被測物及其背景的光反射和傳送特性

利用被測物及其背景對光的反射和傳送特性的差異進行光源照明設計，能夠強化被測物和背景的對比度，即提高圖像效果。主要考慮兩個特性：（1）反射特性。物體反射光線有兩種不同的反射特性：直反射和漫反射。（2）相減色。反射時，從光譜中去除某些波長的光。如白光照射到紅色物體后，紅色光譜被反射，而其他成份則被物體吸收。

2光源照明設計的基本因素

主要有4個基本因素要重點考慮：（1）鏡頭的視場。在照明系統(tǒng)的設計中，應根據(jù)被測對象的尺寸確定鏡頭的視場。而后，再根據(jù)鏡頭視場的大小決定最佳的照明系統(tǒng)。（2）照明系統(tǒng)與工件的間距。在設計系統(tǒng)中，需全面的了解鏡頭到工作的距離，照明系統(tǒng)到工件的距離，從而確定光源與工件的距離。（3）工件的外形、條件和顏色。照明的選擇是由工件表面的形狀、平坦度、光滑程度等條件決定的。最佳的照明顏色（紅、蘭、綠、白）可通過檢測工作或被檢測區(qū)域的顏色來決定。（4）成像物鏡。一般情況下，應針對確定的成像物鏡進行照明系統(tǒng)的設計，其檢驗標準為：工件中需要可視化的部分、劃痕、缺陷等是否被顯現(xiàn)出來，工件表面上的印紋是否能夠辨認等。

3突顯不同區(qū)域的方法

3.1 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：

（1）鏡面反射：入射角等于出射角。

（2）漫反射：由于物體表面不平，出射光方向各異。

3.2 顏色

也就是光譜分布，我們從三個角度來衡量顏色：

（1）波長：比如綠光的波長為550nm。

（2）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。

（3）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。

3.3 光密度

由于不同物體材料、厚度和化學性質不同，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。

3.4 折射

不同透明物質折射率不同，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。

3.5 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。

3.6 深度

用直射光可以突出物體的深度（影子效應），而散射光則可以弱化物體的深度。

3.7 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。

4總結

綜上所述，機器視覺中的光源照明設計沒有固定的模式。在機器視覺光源照明時充分考慮以上理論及影響光源設計的影響因素，使用突顯不同區(qū)域的方法，初步選擇合適光源種類和科學的照明方式，至于最終確定的光源照明方式。

參考文獻：

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[2]? 陳志特.機器視覺照明光源技術要點分析[J].河南科技，2014（02）：63.

（作者單位：大連工業(yè)大學）