机器视觉中的光源照明设计

机器视觉中的光源照明设计

作者：杨薇宋林潞李思琦刘诗琨

来源：《广告大观》2019年第05期

摘要：介绍了光源照明技术在机器视觉中的重要性。通过对光源照明设计中光源种类和基础照明及影响因素等诸多技术的理论分析，探究了设计光源照明系统时方法。

关键词：机器视觉;光源照明

引言

机器视觉是计算机科学的一个分支，是用机器代替人眼做各种测量和判断。一个典型的机器视觉系统包括图像采集、图像处理、运动控制部分等。图像采集是一个重要的环节，它将被测物的可视化图像和特征转化为能被计算机处理的一系列数据。图像采集部分由光源、光学照明系统、被测物、镜头、摄像机构成，采集过程可描述为：在光源提供照明的条件下，被测物的图像经过镜头在摄像机传感器上得到清晰的图像，传感器将图像转换为模拟或数字视频信号，最后通过图像采集卡传输给图像处理部分。

因此，进行合理的光源照明设计，使被测物中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大幅降低图像处理算法分割和识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性得到提高。反之，如果光源照明设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。光源照明设计是决定系统成败的首要因素。光源照明设计要考虑多方面问题，主要是光源的种类和特性、基础照明技术、目标及其背景的光反射和传送特性。

1 光源照明技术

1.1光源种类和特性

理想的光源应该是明亮、均匀、稳定的。光源种类较多，根据发光器件本身可以分为卤素灯、荧光灯、LED灯、氙灯等，目前的发展趋势是LED（Light Emitting Diode）发光二极管光源的使用。LED光源的最大优点是发光效率高、响应速度快、体积小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源等。

1.2基础照明技术

机器视觉照明设计的任务就是使被测物的特征与背景图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征区分。通常涉及以下照明技术：（1）明/暗场照明。暗场照明是相对于物体表面提供低角度照明，使用摄像机拍摄物体，如果镜头处在反射光线的视野内，属于明场照明，否则

是暗场照明。因此是明场照明还是暗场照明与摄像机和光源的相对位置有关。（2）背光照明。从物体背面射过来均匀视场的光，背光照明产生了较强的对比度，常用于测量物体的尺寸和定物体的方向，但物体表面特征可能会丢失。（3）漫射照明。常应用于反射性不规律或有复杂角度的物体表面，以减小阴影及镜面反射。（4）同轴照明。对检测强反射的物体特别有帮助，还适合受周围环境产生阴影影响检测或面积不明显的物体。（5）结构光照明。典型的结构光有激光和光纤，结构光可以用于测量相机到光源的距离。

1.3被测物及其背景的光反射和传送特性

利用被测物及其背景对光的反射和传送特性的差异进行光源照明设计，能够强化被测物和背景的对比度，即提高图像效果。主要考虑两个特性：（1）反射特性。物体反射光线有两种不同的反射特性：直反射和漫反射。（2）相减色。反射时，从光谱中去除某些波长的光。如白光照射到红色物体后，红色光谱被反射，而其他成份则被物体吸收。

2光源照明设计的基本因素

主要有4个基本因素要重点考虑：（1）镜头的视场。在照明系统的设计中，应根据被测对象的尺寸确定镜头的视场。而后，再根据镜头视场的大小决定最佳的照明系统。（2）照明系统与工件的间距。在设计系统中，需全面的了解镜头到工作的距离，照明系统到工件的距离，从而确定光源与工件的距离。（3）工件的外形、條件和颜色。照明的选择是由工件表面的形状、平坦度、光滑程度等条件决定的。最佳的照明颜色（红、兰、绿、白）可通过检测工作或被检测区域的颜色来决定。（4）成像物镜。一般情况下，应针对确定的成像物镜进行照明系统的设计，其检验标准为：工件中需要可视化的部分、划痕、缺陷等是否被显现出来，工件表面上的印纹是否能够辨认等。

3突显不同区域的方法

3.1 反射系数

从物体反射出的光量是可以度量的。有两种不同的反射方法：

（1）镜面反射：入射角等于出射角。

（2）漫反射：由于物体表面不平，出射光方向各异。

3.2 颜色

也就是光谱分布，我们从三个角度来衡量颜色：

（1）波长：比如绿光的波长为550nm。

（2）两种或两种以上光波的混合比：混合的目的是为了产生另一种光。比如黄光（波长620nm）和蓝光（波长480nm）混合在一起便会成为绿光，然而实际上，光谱的分布中并没有绿光的分布。

（3）补色：从白光中移除的那部分光与剩余的光互为补色光。比如，白色金属铁和黄色金属金颜色不同并不是金反射的黄光比铁多，而是反射的蓝光比铁少。白光中去除蓝光即为黄光。

3.3 光密度

由于不同物体材料、厚度和化学性质不同，所以投射光的数量和强度也不同。光密度会在整个光谱范围不同，或者只在某一个范围不同。一般来说，背光是鉴别光密度不同的最好方法。

3.4 折射

不同透明物质折射率不同，所以它们会以不同的方式影响光的传播。比如，空气气泡混合在玻璃里面，当光线直射时，会出现或明或暗的气泡边缘。

3.5 纹理

物体表面纹理有些是可辨识的，有些是过于微小无法处理的，但是它会影响光线的反射。有些情况下，纹理非常重要，必须用光源来突出它;而另外一些情况下，纹理则相当于噪声，必须用光源来突出其它而弱化纹理。

3.6 深度

用直射光可以突出物体的深度（影子效应），而散射光则可以弱化物体的深度。

3.7 表面曲向

由于曲率的不同，表面各处呈现的特性不一样。折射光往往会突出这些特性，而散射光会削弱这些特性。

4总结

综上所述，机器视觉中的光源照明设计没有固定的模式。在机器视觉光源照明时充分考虑以上理论及影响光源设计的影响因素，使用突显不同区域的方法，初步选择合适光源种类和科学的照明方式，至于最终确定的光源照明方式。