机器视觉光源选择

做机器视觉，一定会涉及到光源，它在机器视觉中有重要的作用，直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

所以我们说光源起到的作用：就是获得对比鲜明的图像。 图像的质量好坏，也就是看图像边缘是否锐利,具体来说： 1、将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大 2、尽量消隐不感兴趣部分

3、提高信噪比，利于图像处理 4、减少因材质、照射角度对成像的影响

图像的边缘锐利程度对比

常用的有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。 先简单介绍一下后面两种。

卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。它真正发光的是卤素灯炮，功率很大，可达100多瓦。高亮度卤素灯炮，通过光学反射和一个专门的透镜系统，进一步聚焦提高光源亮度。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的。适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。但它的缺点就是卤素灯炮寿命只有2000小时左右。

高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率，消除图像的闪烁。适合大面积照明，亮度高，且成本较低。但需要隔一定时间换灯管一定要进口的才过关，国内的高频做的不行，老有闪烁，国外最快可做到60KHz。

相对来说，目前LED光源最常用。主要有如下几个特点：

1、 使用寿命长，10000-30000小时。

2、 由于LED光源是采用多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。

3、 有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。

下面我们具体讨论以下LED光源的分类。

LED光源可以分为2大类：一类是正面照明，一类是背面照明。

正面照明用于检测物体表面特征，背面照明用于检测物体轮廓或通明物体的纯净度。 正面光源按照光源结构分，有环形灯、条形灯、同轴灯和方形灯。当然环形灯用得最多，包括直射环形，漫反射环形,Dome灯等。

我们说直接照射环形、漫反射环形 、Dome灯，这三种的区别如下。 比如直接照射环形，适合不反光物体的检测； 漫反射环形，适合反光物体检测。

直射环形(垂直照射)

带角度环形

低角度环形

水平照射环形

Dome灯，也算漫反射的一种，但它是通过半球型的内壁多次反射，可以完全消除阴影。主要用于检测球型或曲面物体。

直接照射环形按照射角度分，有直射环形(垂直照射),带角度环形,低角度环形和水平照射环形等。可以理解就是：每个LED的光轴和环形灯外壳之间（其实就是与水平面）的夹角， 依次为0°，20°，60°, 90°(具体型号可能会稍有变化)。不同的角度适合不同的检测要求。前面两种为明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测；后面两种为暗视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都不进摄像头，故背景呈黑色，只有物体高低不平之处的反光进入摄像头，比如金属表面划痕的检测，背景呈黑色，划痕呈白色。同时，直射环形(垂直照射)和带角度环形的区别在于，前面一种的照射距离较远，后者较近。低角度环形和水平照射环形的区别也是这样。 同时，漫反射环形也有直射和低角度之分。

直射漫反射

低角度漫反射

条形灯，有两个应用。一个是宽幅检测，2个或4个条形组合使用，另一个是线扫描的照明。

前面一个―――条形灯组合使用，它的最大特点是每个方向的光源照射角度可调，因为光源的照射角度对我们最终的图象效果有很大影响。灵活性比较大，但调试时也相对费事一些。

另外一个应用，就是线扫描照明。因为现在linescan项目多起来了，所以想多介绍一些。linescan相机每次都是采集一条线，且曝光时间短，对光源亮度要求很高。光源需要采用聚光型，集中照到一条线上，这样才能准确控制你的图象稳定。Linescan的照明，常用的有几种办法：超高亮LED+聚光镜、光纤+聚光镜、高频荧光灯+聚光镜。超高亮LED+聚光镜，寿命长不用说，但成本较高，照射距离可能会受一些限制；

光纤亮度高，但成本贵；高频荧光灯，成本较低，但需要隔一定时间换灯管。

接下来介绍同轴灯。

同轴灯主要用于检测反光程度很厉害的平面物体，比如玻璃。

它的特点是：里面有一块45度安装的半透半反玻璃。LED发出的光线，先通过全反射垂直照到被测物体，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头。这样就既消除了反光，又避免了图象中产生摄像头的倒影。

但是有一点提醒一下，同轴灯可以消除反光，但只适合检测平面的物体，而不适合检测有弧度的物体。因为同轴灯让CCD只能接受到和物体垂直，也就是和镜头同轴的光线，所以就叫同轴灯啊。

当然同轴灯还有一种，就是点光源。因为点光源是和同轴镜头配合使用。事实上，只是把上面同轴灯45度半透半反的玻璃，移植到镜头里面去了。所以这时选的是同轴镜头。 背面照明

背光的作用就是让透光和不透光的部分，区分开来：透光的地方呈白色，不透光呈黑色。这样取得一个黑白对比的图片。

在背光的选型上面，一个就是需要均匀性好，第二个就是看穿透力。如果需要穿透力强的话就可以选，红外光。 因为波长长穿透力更强

提到这个问题，顺便介绍一下光源的颜色选型。 一般有红、绿、蓝、白、红外。其中红色用得最多，因为红色LED成本低,并且黑白CCD 芯片对660nm光线最敏感。兰色适合检测物体表面质量，因为波长短。当然，紫外的散射性更好，因为波长更短。而白色是中性颜色，适合拍彩色图片，或者被测物体的颜色在变化的。绿色的亮度很高，且波长和兰色接近，所以有时可用绿色代替兰色。红外用于半透明等的物体检测。

波长越长，穿透力越强；波长越短，扩散性越好。

一、为什么要使用光源 目的

将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像 地位

机器视觉三大技术（采像技术，处理技术，运动控制技术）之一 重要性

直接影响系统的成败，处理精度和速度

二、 光源的种类

理想的光源应该是明亮，均匀，稳定的 视觉系统使用的光源主要有三种 高频荧光灯 光纤卤素灯

LED（发光二极管）照明

高频荧光灯

使用寿命约1500－3000小时 优点：扩散性好、适合大面积均匀照射 缺点：响应速度慢，亮度较暗

光纤卤素灯

使用寿命约1000小时 优点：亮度高

缺点：响应速度慢，几乎没有光亮度和色温的变化 LED灯

使用寿命约10000－30000小时

可以使用多个LED达到高亮度，同时可组合不同的形状 响应速度快，波长可以根据用途选择

三、LED光源的优势

可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；

可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度； 通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）； 反应快捷，可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度；

电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；

运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势； 可根据客户的需要，进行特殊设计。

四、 LED光源的颜色

主要颜色 红色 蓝色 绿色 白色 其他颜色 橙色 红外 紫外

五、 照明技术的基础知识

1、照射光的种类 (1)直射光

主要来自于一个方向的光，可以在亮色和暗色阴影之间产生相对高的对比度图像。 (2)漫射光（扩散光）

各种角度的光源混合在一起的光。日常的生活用光几乎都是扩散光。 (3)偏振光

在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿某一个固定方向振动的光。通常是利用偏光板（片）来防止特定方向的反射。 (4)平行光

照射角度一致的光。太阳光就是平行光。发光角度越窄的LED直射光越接近平行光。

对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

2、六种照明技术

通用照明，背光，同轴（共轴），连续漫反射，暗域及结构光。 (1)一般目的的照明 通用照明一般采用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头上，可给漫反射表面提供足够的照明。 (2)背光照明：

背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同因为图像分析的不是发水光而是入射光。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。 (3)同轴照明：

同轴照明是与摄像头的轴向有相同的方向的光照射到物体的表面。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向。半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。连续漫反射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明。 (4)暗域照明：

暗域照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮域照明，相反的在视野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的，暗域照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。

(5)结构光：结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形）。

典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。多轴照明：在许多应用中，为了使视野下不同的特征表现不同的对比度，需要多重照明技术。

3、选择光源应考虑的系统特性 (1)亮度

当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

(2)鲁棒性

测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。光源选择好了，剩下来的工作就容易多了！机器视觉应用关心的是反射光（除非使用背光）。物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体表面的时候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

(3)光源可预测

当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的

不同）。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度，这个科学的定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的想定的效果可以通过控制光源而实现。

物体表面：如果光源按照可预测的方式传播，那么又是什么原因使机器视觉的光源设计如此的棘手呢？使机器视觉照明复杂化的是物体表面的变化造成的。如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的物体表面，并分析光源入射的反映。

(4)控制反射

如果反射光可以控制，图像就可以控制了。这点再怎么强度也不为过。因此在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。机器视觉的光源设计就是对反射的研究。在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先需要问自己这样的问题：“我如何才能让物体显现？”“我如何才能应用光源使必须的光反射到镜头中以获得物体外表？” 影响反射效果的因素有：光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性。

(5)光源的位置

既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不同。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。

(6)表面纹理

物体表面可能高度反射（镜面反射）或者高度漫反射。决定物体是镜面反射还是漫反射的主要因素是物体表面的光滑度。一个漫反射的表面，如一张不光滑的纸张，有着复杂的表面角度，用显微镜观看的时候显得很明亮，这是由于物体表面角度的变化而造成了光源照射到物体表面而被分散开了。而一张光滑的的纸张有光滑的表面而减小了物体表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

(7)表面形状

一个球形表面反射光源的方式与平面物体不近相同。物体表面的形状越复杂，其表面的光源变化也随之而复杂。对应一个抛光的镜面表面，光源需要在不同的角度照射。从不同角度照射可以减小光影。

(8)光源均匀性

不均匀的光会造成不均匀的反射。均匀关系到三个方面。

第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。简单的说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。从而造成物体表面反射不均匀（假设物体表面的对光的反射是相同的）。均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。

(9)光源技术的应用：光源技术是设计光源的几何及位置以使图像有对比度。光源会使那些感兴趣的并需要机器视觉分析的区域更加突出。通过选择光源技术，应该关心物体使如何被照明及光源是如何反射及散射的。

六、如何选择光源

1、 背光——测量系统的最佳选择

2、 亮场——最直接的照明