机器视觉（1）：照明系统

        一个合理的照明系统，需要做到增强有用的特征，抑制不需要的特征。制定一个合适的照明系统方案可以从以下图中几点出发。

        （一）光源类型

        光源类型的选择可以从成本、所处的环境及项目要求等情况考虑。下面列出四种较为常见光源，根据其特点可以参考参考。

1. 白炽灯通过在细细的灯丝中传输电流产生光。
   优点：相对较亮；产生的色温为3000-3400K的连续光谱；可以在低压环境工作。
   缺点：发热严重（能量转换为光的能量低，仅有5%）；寿命短；不能用作闪光灯；老化快（随着时间的推移亮度迅速下降）。
2. 氙灯是在密闭的玻璃灯泡中充上氙气。
   优点：产生的色温在5500-12000K，非常亮的白光；有短弧灯（点亮时间可以短到1-2us）、长弧灯和闪光灯（可以到达每秒200多次）可选。
   缺点：供电复杂；昂贵。
3. 荧光灯也是一种气体放电光源，通过电流激发在如氩、氖等惰性气体环境中的水银蒸汽，产生紫外光辐射，这些紫外光使得封装惰性气体的管壁上的磷盐涂层发荧光，产生可见光。
   优点：使用不同的涂层，可以产生3000-6000K色温的可见光；荧光灯由交流电供电，产生与供电相同频率的闪烁（使用低于22KHz的供电频率可以避免图像明暗的变化）；价格便宜；照明面积大。
   缺点：寿命短、老化快；光谱分布不均匀，在有些频率下有尖峰；不能用作闪光灯。
4. 发光二极管（LED）是一种通过电致发光的半导体，能产生类似单色光的非常窄的光谱的光（半导体的材料决定发出的光的颜色）。
   优点：可制作成红外、可见光及近紫外，也可以做成白色LED（实际上产生的光是蓝色的，通过在半导体上加上黄磷涂层将蓝光转化为白光）；寿命长（超过100000h是常见的）；可制作闪光灯，响应速度很快；几乎没有老化现象；由于采用直流供电，亮度非常容易控制；功耗小，发热低。
   缺点：性能和环境温度有关（环境温度越高，性能越差，寿命越短），不过仍然是机器视觉常用的一种光源。

        （二）光与被检测物间的相互作用

        主要注意被检测物的材质及形状，是否是金属、是否光滑的塑料、玻璃器件或者电路板等等。物体的材质会对反射、透射、吸收以及偏振等物理现象有重要的影响。相互作用模型如下图：

        镜面反射在一定的角度产生较强的波瓣形反射，如下图。入射光的角度决定是否有波瓣形反射，物体表面的微细结构决定波瓣的宽度。

        在金属或者绝缘材料（如玻璃或者塑料）表面上的反射使光线产生部分偏振。偏振的产生源于漫反射和镜面反射，但实际上主要是由镜面反射决定的。

        （三）照明的光谱特点

        从上面的相互作用我们可知，物体反射一部分光谱，其他部分被吸收。可以利用这特点使用特殊的光谱增强我们需要的物体特征。比如CCD和CMOS传感器对于红外光比较敏感的红外光，选择和物体颜色相近的光源等等。比较典型的一个案例是利用滤镜在照射到物体前先成为偏振光，再照射到物体上，以此来抑制偏振光。如下图所示说明了该方法。

        （四）照明方向的选择

1. 正面光：光源与摄像机位于被检测物同侧。
2. 背光（透射光）：光源与摄像机位于被检测物两侧（如果被检测物是透明物）。
3. 明场照明：光源与被检测成一定夹角，使得大部分的光反射到摄像机。
4. 暗场照明：仅仅将照射到被检测物体的特定部分的光反射到摄像机。

        上面的四种划分标准基本相互独立，它们可以有很多的种组合方式。下面介绍常见的几种组合方式。

• 正面明场慢射照明

	优点	缺点
a	容易构造	除非环形灯比被检测物大很多，否则比较难得到均匀的照明；摄像机轴向没有光。
b	照明较为均匀	半透半反镜可能产生鬼像
c	照明非常均匀	和a一样，对着物体的方向没有光
d

        正面明场慢射照明的方式常用于防止产生阴影，并减少或防止镜面反射。

• 直接明场正面照明

        a：倾斜环形光，常用于使孔洞或者感性区域产生阴影；缺点是光线不均匀。

        b：使用同轴平行光，常用于采集会产生镜面反射的物体的图像；缺点是布置较复杂（需要用到远心镜头，需要调整检测物和摄像机的相对位置）。

• 直接暗场正面照明

        环形光与物体表面呈非常小的角度，这样可以突出被检测物的缺口即凸起。所以像划痕、纹理或者雕刻文字等增强，看的更加清晰。

• 明场慢射背光照明

        背光方式只显示不透明物体的轮廓，所以这种照明方式用于被检测物需要的信息可以从其轮廓得到的场合。对于透明物体，背光可以用于检测被测物的内部部件，这样可以 避免使用正面照明造成的反射。缺点如图b所示，因此慢射背光照明主要用于厚度不大的被测物。

        为了解决上述摄像机一侧的被检测物某些部分也被照亮的问题，可以使用平行照明构造的直接明场背光照明，如下图。需要与远心镜头配合使用，而且照明与镜头位置需要仔细调整。这种照明会使被检测物轮廓非常尖锐，此外由于使用了远心镜头，图像没有透射变形，所以这种照明常常用于测量运用。

        一个合适的照明方案往往是经过大量的测试得到。书中只是从比较大的方向分析利弊，在具体项目中还有许多的细节需要考虑。