机器视觉系统——照明

第1章 照明

在机器视觉的实际应用中，大多数应用领域都需要使用由光源提供的灯光照明来提高图像的亮度和对比度。同时，光源并不仅仅是为照亮物体而设计的，在机器视觉系统中，光源和照明方案的好坏往往会决定整个系统的成败。大多数机器视觉系统的第一步可能是二值化，它将图像中的被测物体（前景）和背景二值化为1和0，1代表前景，0代表背景。好的光照系统会极大地突出物体和背景之间的差异，从而大大简化了图像分割的算法；提高物体边缘与背景之间的陡峭变化，从而提高了对物体的测量精度。设计不当的照明会使整个图像的光照不均匀，从而给二值化带来困难；会产生阴影或者过曝光，从而丢失图像的重要细节；会增加图像传感器转换图像的噪音，从而加大图像处理的难度和降低测量的精度等。所以首先对机器视觉系统的光源进行精心的设计是极其重要的。

不同的机器视觉系统的照明设计总是不一样的，这是因为影响照明方案的因素非常多。例如光的强度、颜色、均匀性、光源的结构、大小、照射方式以及被测物体的光学特性、距离、物体大小、背景特性等。当然，物体本身的特性、工作环境情况等是最重要的因素。

照明设计涉及三个主要方面：光源的种类和特性、目标及其背景的光反射和传送特性、光源的结构。最佳光源和照明方式的选择需要理论知识，但实践经验以及反复的大量试验也很重要。

日本CCS株式会社是国际著名的照明技术公司，本章所采用的精彩照明实例都是由CCS提供的，特在此表示感谢。

1-1  光源

光照技术中光源的特性是最重要的，光源的设计涉及到五个重要因素：

* 方向：控制和调节照射到物体上的入射光的方向是机器视觉系统设计的最基本的因素。它取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。一般来说有两种最基本的方式，所有其它的方式都是从这两种方法中延伸出来的，见图1-1。

直射光：入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出被照射物体的阴影；

漫射光：入射光来自多个方向，甚至所有的方向，它不会投射出明显的阴影。

* 光谱：光是由单一的或多种成份的光谱组成的，例如日光的光谱就是由从红外到紫外的所有光谱组成的，人眼能感觉的光谱范围在380nm至780nm之间，即从红色780nm到紫色380nm。见图1-2。光的颜色取决于光源所产生的光的类型，以及覆盖在光源或摄像头镜头上的光学滤色镜。

* 偏振性：（Polarization）又称极化光，是光波的一种特性。光在传播时和电磁波一样是震荡的，一般的光波的震荡方向是不定的，而极化光的震荡方向处在一个确定的平面上，例如线性极化光的振荡轴与传播方向垂直。光波的这种偏振性，在镜面式的反射光中保留了定向性，而漫散式的反射光则丢失了。这样就可以使用光线的偏振性使镜面眩光掠过摄像头镜头，来消除镜面反射光的影响。

* 强度：光照的强度会影响摄像头的曝光，光线不足则意味着低对比度，就要加大放大倍数，但可能同时将噪音放大，也可能使镜头的光圈加大，但景深减小了。反过来，强度过大会浪费能量，并带来散热的问题。有时对光照强度大小的调节会带来意想不到的结果。

* 均匀性：在所有的机器视觉应用中，都要求均匀的光照。因为所有的光源随着距离的增加和照射角的偏离，其照射强度减小，所以在对大面积物体照明时会带来较大的问题，有时只能在视场的中心位置保持均匀。

光源的种类非常多，它们的划分方式也很多，从发光器件本身可以分为卤素灯、荧光灯、LED灯、氙灯等等；根据灯的几何形状可以分为环形、方形、穹形、长条形等等；根据发光的特性可以分为点光源、线光源、面光源等；根据照射的角度又可以分为直射、间接、掠射、同轴、平行等方式。

目前一个最明显的发展趋势是LED（Light Emitting Diode）发光二极管光源的采用。LED光源的主要颜色分为红、蓝、绿和白四种，另外还有橙色、红外、紫外等。其中，红色是最常用的。LED光源的最大优点是发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源等等。

1-2  照明技术

前面已经讲过，照明除了增加图像对比度和亮度之外，另一个重要目的是尽可能加大被测物体和背景之间的差距，利用物体和背景对入射光的反射特性的差异来强化这种差距，是照明技术设计的重要思想。所以了解物体对光的反射和传送的特性就尤为重要。

1-2-1  物体的光反射、传送特性

* 反射特性：物体反射入射光有两种不同的反射特性。

a. 镜面式反射：光线的反射角等于入射角。镜面式反射有时用途很大，有时又可能产生极强的眩光。在大多数情况应避免镜面反射。

b. 漫反散：照射到物体上的光从各个方向漫散出去。在大多数实际情况下，漫散光在某个角度范围内形成，并取决于入射光的角度。见图1-3。

* 颜色：人眼或摄像头观察到的颜色可能是由三种不同的方式形成的：

a. 直接从照射光的波长来区分颜色。例如在580nm附近波长的光为绿色，利用此波长光照射绿色物体，从而突出物体和背景差异；

b. 相加色：两种或三种波长的光组合成某种波长光的效果，例如黄色光（波长为620nm）和蓝色光（波长为480nm）混合，出现绿色光的效果，但实际上在光谱的绿色部分并没有这一光谱段的能量。利用光的这一特性，发明了彩色电视，电视监视器中由红、绿、蓝三基色可基本上合成自然界的各种颜色。

c. 相减色：反射时，从光谱中去除某些波长的光。见图1-4，含有所有可见光谱的白光，照射到红色物体后，红色光谱被反射，而其它成份被物体吸收了。例如白的金属如钢，黄色金属如金。它们之间的颜色的差别是因为钢较均匀地反射所有光谱的光，而金反射了白光，但从中减去了蓝光，就会出现黄颜色的效果。

* 光学密度：不同物质、不同厚度或不同化学特性的物体，在光线穿过它们时，穿透率是不同的。这种差异可能在整个光谱范围内存在，也可能只存在于光谱的某些点。一般来说，背光是检测光学密度差异的最好办法。

* 折射：不同的透明物质，具有不同的折散率。它们从不同方向传送入射光。例如空气和玻璃的折射率不同，当定向光以某个方向照射时，在玻璃中的气泡使光线弯曲，以致于产生黑的或亮的气泡轮廓。

* 纹理：物体表面的纹理对图像处理是有很大影响的，有可能纹理太细以致人眼无法分辨，但它也会影响到光的反射。有时纹理是重要的，应该用光照来加强，而有时纹理又是不需要的，会引起噪声，应该用光照来减弱纹理的影响。

* 高度：物体中不同高度的特征可以用定向光来加强，也可以用漫射光来减弱。

* 表面方向：物体表面不同部位的相对方向的差异可以用定向光来加强，也可用漫散光来减弱。

1-2-2 照明技术

利用各种不同性能和结构的光源，以及物体和背景对光的反射和传送特性就可以设计出不同的照明方案。照明技术分正向和背向照明两大类，每一类又有很多的变化。

1-2-2-1 正向照明

* 镜面：光线直接从物体的表面反射进入摄像头镜头。物体的镜面反射不一致的各个区域，可用这一照明方式将它们区分出来。物体表面每倾斜一度，都会使镜面反射光移动两度。这种照明技术对于物体的姿态是非常敏感的。

* 离轴照明：光源在镜头轴线的侧面，镜面反射到不了镜头，仅有漫反射光部分进入镜头，从而避开了镜面反射而引起特亮光的干扰，而漫反射光部分则可能进入镜头。最典型的例子是光滑的金属表面模印上表面粗糙的文字，文字因漫反射光进入镜头而亮，而金属表面背景因镜面反射光而达不到镜头，形成黑背景。

* 半漫射照明：光线来自比较宽角度的各方向，例如环形光。这种照明方式具有较好的均匀性，能获得比较好质量的图像，并且可以有较大范围的视场。

* 漫散照明：光线来自所有方向，由于不同的物体特征有不同的漫反射特性，从而使镜面反射最少，并且使因表面方向变化而引起的影响差异很大的反射最小。

* 黑场：光线来自与镜头视线方向成90°的方向，所有镜面反射和所有来自平面的漫反射都会掠过镜头不能进入摄像头。而无规律的表面，例如划痕，会产生强烈的闪烁，被摄像头转换成图像。

1-2-2-2 背光照明

* 漫射式：是背光照明中最通用的方式，它具有一块大的透明或半透明的平板，在平板的背后是光源。设计简单，最易获得均匀光源。

* 凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向，适用于背光照明时建立定向光特性。

* 黑场：光线从与镜头视线成90°的方向射入，例如从透明物体的边缘进入，检测物体中的裂痕、气泡等，光线在透明物中传输时不会进入镜头，当碰到某种小物体后，因折射有一部分光反射进入镜头。

以上所描述的照明技术只是原理性地概括，它们可以灵活地变化和组合来适应需求。照明技术的变化是非常多的，例如使用线、网格、圆等光照形式的结构光来检测三维物体；使用光的偏振特性来消除镜面反射，突出表面的细节；使用光学滤色片来加强特征区，滤除背景和其它不感兴趣区域，从而简化了图像的二值化和分割算法等。

我们举一个正向照明时，光线从三个不同角度射入时获得的光照差异来说明这种变化的效果。图1-5和图1-6所示的实例是读取金属表面压印的文字。金属表面是光亮的，而文字压印是粗糙的。图1-5为正向高角度的照明（又称亮场），这是最常采用的方式，优点是光照强、相对较均匀，缺点是会产生镜面的高亮反射。图1-6为低角度暗场式照明，特别适合于在平滑光洁的表面检测文字、伤痕等具有较粗纹理的目标。入射光在平滑表面以相同角反射而错过镜头形成较暗的背景，而具有漫反射特性或圆弧边缘的目标则将一部分光反射入镜头而成为亮的图像。图1-7为无角度的黑场照明。最适宜检测凹凸不平表面以及显现表面缺陷，但其缺点是阴影太大。

1-3  常见的照明技术

以下实例均由AI公司提供。

1-3-1 照明技术分类

直接照明：光直接射向物体，得到清楚的影像。当我们需要得到高对比度物体图像的时候，这种类型的光很有效。但当我们用它照在光亮或反射的材料上时，会引起像镜面的反光。

 

暗视场：光是按一个角度投射到物体表面，其结果是倾斜的散光进入到相机，在一个暗的背景或视场上创造了明亮的点。用这种照射方法，如果物体表面没有色差的话，通过视觉系统什么也看不到。

背光照明：从物体背面射过来的均匀视场的光。通过相机可以看到物体的侧面轮廓。背光照明常用于测量物体的尺寸和定物体的方向。

 

散射照明：反射照明，光射到粗糙的遮盖物上，产生无方向、柔和的光，这种光最适合高反射物体。因这种照明的效果，我们将这种光比作在阴天里平和，无方向的光。

 

同轴照明：同轴光的形成——通过垂直墙壁出来的变化发散光，射到一个使光向下的分光镜上，相机从上面通过分光镜看物体。这种类型的光源对检测高反射的物体特别有帮助，还适合受周围环境产生阴影影响，检测面积不明显的物体。

 1-3-2明视场与暗视场

低角度环形光,照射角度不大于45度，用于检测高反射材料表面，如光学字符识别（OCR），表面缺陷检测等

 

 

              

以明视场投射到镜面

 

以暗视场投射到镜面