楊薇 宋林潞 李思琦 劉詩(shī)琨

摘要：介紹了光源照明技術(shù)在機(jī)器視覺中的重要性。通過對(duì)光源照明設(shè)計(jì)中光源種類和基礎(chǔ)照明及影響因素等諸多技術(shù)的理論分析，探究了設(shè)計(jì)光源照明系統(tǒng)時(shí)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;光源照明

引言

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

因此，進(jìn)行合理的光源照明設(shè)計(jì)，使被測(cè)物中的目標(biāo)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(shí)別的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的定位、測(cè)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(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。光源照明設(shè)計(jì)是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。光源照明設(shè)計(jì)要考慮多方面問題，主要是光源的種類和特性、基礎(chǔ)照明技術(shù)、目標(biāo)及其背景的光反射和傳送特性。

1 光源照明技術(shù)

1.1光源種類和特性

理想的光源應(yīng)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?zé)簟晒鉄?、LED燈、氙燈等，目前的發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn)是發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、易于組成不同形狀的光源等。

1.2基礎(chǔ)照明技術(shù)

機(jī)器視覺照明設(shè)計(jì)的任務(wù)就是使被測(cè)物的特征與背景圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征區(qū)分。通常涉及以下照明技術(shù)：（1）明/暗場(chǎng)照明。暗場(chǎng)照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明，使用攝像機(jī)拍攝物體，如果鏡頭處在反射光線的視野內(nèi)，屬于明場(chǎng)照明，否則是暗場(chǎng)照明。因此是明場(chǎng)照明還是暗場(chǎng)照明與攝像機(jī)和光源的相對(duì)位置有關(guān)。（2）背光照明。從物體背面射過來均勻視場(chǎng)的光，背光照明產(chǎn)生了較強(qiáng)的對(duì)比度，常用于測(cè)量物體的尺寸和定物體的方向，但物體表面特征可能會(huì)丟失。（3）漫射照明。常應(yīng)用于反射性不規(guī)律或有復(fù)雜角度的物體表面，以減小陰影及鏡面反射。（4）同軸照明。對(duì)檢測(cè)強(qiáng)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(cè)或面積不明顯的物體。（5）結(jié)構(gòu)光照明。典型的結(jié)構(gòu)光有激光和光纖，結(jié)構(gòu)光可以用于測(cè)量相機(jī)到光源的距離。

1.3被測(cè)物及其背景的光反射和傳送特性

利用被測(cè)物及其背景對(duì)光的反射和傳送特性的差異進(jìn)行光源照明設(shè)計(jì)，能夠強(qiáng)化被測(cè)物和背景的對(duì)比度，即提高圖像效果。主要考慮兩個(gè)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(shí)，從光譜中去除某些波長(zhǎng)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(shè)計(jì)的基本因素

主要有4個(gè)基本因素要重點(diǎn)考慮：（1）鏡頭的視場(chǎng)。在照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的尺寸確定鏡頭的視場(chǎng)。而后，再根據(jù)鏡頭視場(chǎng)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(shè)計(jì)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(cè)工作或被檢測(cè)區(qū)域的顏色來決定。（4）成像物鏡。一般情況下，應(yīng)針對(duì)確定的成像物鏡進(jìn)行照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(gè)角度來衡量顏色：

（1）波長(zhǎng)：比如綠光的波長(zhǎng)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(zhǎng)620nm）和藍(lán)光（波長(zhǎng)480nm）混合在一起便會(huì)成為綠光，然而實(shí)際上，光譜的分布中并沒有綠光的分布。

（3）補(bǔ)色：從白光中移除的那部分光與剩余的光互為補(bǔ)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(lán)光比鐵少。白光中去除藍(lán)光即為黃光。

3.3 光密度

由于不同物體材料、厚度和化學(xué)性質(zhì)不同，所以投射光的數(shù)量和強(qiáng)度也不同。光密度會(huì)在整個(gè)光譜范圍不同，或者只在某一個(gè)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(zhì)折射率不同，所以它們會(huì)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(dāng)光線直射時(shí)，會(huì)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(shí)的，有些是過于微小無法處理的，但是它會(huì)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(dāng)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(yīng)），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(huì)突出這些特性，而散射光會(huì)削弱這些特性。

4總結(jié)

綜上所述，機(jī)器視覺中的光源照明設(shè)計(jì)沒有固定的模式。在機(jī)器視覺光源照明時(shí)充分考慮以上理論及影響光源設(shè)計(jì)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(xué)的照明方式，至于最終確定的光源照明方式。

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（作者單位：大連工業(yè)大學(xué)）