机器视觉照明技术基础知识概述

概述

机器视觉（machine vision）照明技术主要任务为提升被测物体特征与背景之间的对比度。对比度越大，感兴趣物体特征越明显，降低后期很多图像处理工作，提升整个机器视觉系统效率。观测相同的物体，一旦照明方式不同，观测到的画面就会发生惊人地变化。如下图，分别采用明场照明和暗场照明，光源照射角度不同，成像效果差异明显。选择合适的照明技术可能看起来是个黑盒子，大多数人们都是基于工作经验选择，通过尝试不同照明方式判断是否可行。枚举尝试经验方法耗时耗力。因此理解照明技术，科学有效快速选择合适的照明方式至关重要。

机器视觉照明技术有几个要素：

入射角(angle of incidence)light cofiguration 控制和调节光源照射到物体表面的入射光角度是机器视觉系统设计的最基本的参数，它决定于光源的类型和相对于物体放置的位置。

光束方向性直射光基本来自同一个方向，它能投射出物体阴影；散射光来自于多个方向，甚至于所有方向，它不会透射出明显的阴影。

光谱光是由单一的或多种成分的光谱组成，例如日光的光谱就从红外到紫外的所以光谱组成。光的颜色，取决于光源所产生的的光的类型，以及覆盖在光源或摄像机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平面上，例如线性极化光的震荡轴与传播方向垂直。光波的这种定向性，在镜面式的反射光中保留了这种偏振性，而漫射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机镜头，来消除镜面发射光的影响。

光强光照的强度会影响摄像机的曝光，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。反过来，光强过大会浪费能量，并带来散热的问题。

均匀性在所有的机器视觉应用中，都会要求均匀的光照，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，有时只能做大市场中心位置保持均匀。

入射角是非常重要因素，据此机器视觉照明划分为明场(bright field)，暗场(dark field)和背光(backlight)，再考虑光束方向性，可分为全明场和部分明场，分类图如下

明场照明技术Bright Field

明场照明技术是常用的照明方式，光源入射角在45度到90度之间，绝大多数光反射到相机中，成像明亮。明场可以根据光源的立体角(solid angle)大小分为两种：

部分明场Partial or Directional Bright Field

在有效工作距离中，拥有较小立体角的光源，如环形光源(ring light)、条形光源(bar light)或者点光源(spot light)等直射光。光源光束以某一方向照射物体。

全明场Full Bright Field

光源立体角较大，比如同轴漫射光源(diffused coaxial light)、圆顶光源(dome light)、面光源(area light)等漫射光，从多个方向照射物体，消除表面不平整形成的干扰。

全明场照明（漫射照明）技术

全明场有较大立体角，光源从多个方向照射到物体表面，会产生无方向、柔和的反射光。如下图所示，当采用直射光照明时，由于光线存在方向性，金属和屏幕上的划痕等有很强的反光成像效果。当采用漫射照明时，物体表面被相对均匀照射，虽然金属表面的划痕仍能看到，但屏幕上的小划痕已经看不清楚了。漫射照明适合于高反光平整材质物体，可以消除小的变形、褶皱影响，只对边缘和比较大的曲面有对比度差异成像效果。

同轴漫射光源

同轴照明是与相机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。光源通过漫射板（diffusor）发散打到半透半反分光镜（semi-transparent beam splitter）上，该分光片将光反射到物体上，再由物体反射到镜头中。由于物体反射后的光与相机处于同一个轴线上，因此，此种方式的光源被称之为同轴光。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。

圆顶光源

虽然同轴漫射照明也会产生漫射光，但只有圆顶漫射照明能够真正产生各个方向均匀照射的漫射光，也称为为无影灯（shadow-free light）。为了获得这种效果，LED灯珠光束出来后没有直接打到物体上，而是照射到球形反射镜上，重新定向，最终从不同方向照在被测物体上。

圆顶漫射非常适合于表面不平整的光滑表面物体的高质量成像。一个应用例子为印刷质量检测，包装表面有褶皱和凸起不平整，圆顶漫射照明可以抑制表面不平整等外观结构干扰特征，只留下清晰的印刷字体信息，使得表面成像效果一致。

此种照明技术应用限制为工作距离，为了确保均匀照明，工作距离必须尽可能地近些，工作距离越长，光束的方向性越强，漫射均匀性降低。如下图所示，当光源工作距离为5mm时，边缘弧面区域近乎均匀照亮，当工作距离逐渐增加时，越来越多的边缘区域没有被照亮，边缘区域照明均匀一致性消失。

部分明场照明技术

光源光束以某个方向入射到物体表面，物体表面照亮的同时，划痕、边缘和褶皱等表面纹理会被照暗或者照的更亮。如下原理图所示，凹槽左边平面与入射光方向相近，使得反射光线更加远离相机视野，相机无法接受到光线，因此成像较暗。而凹槽右边平面与入射光方向相对，使得反射光更多进入相机视野，成像较亮。该照明技术可以增强边缘粗糙结构成像效果。

暗场照明技术Dark Field

光源以小于45度的入射角照射物体表面。用这种照射方法，根据光学反射定律，所有的反射光线都无法到达相机，视觉系统什么都看不到，为黑色。但可以更加凸显边缘和划痕等特征。

对目标物以较低的角度照射光，可使阴影更加清晰，连细微的凹凸也可掌握。

极其暗场照明需要离表面较近，最大距离为0.5~2cm。如果距离增大，表面将无法照亮

背光照明技术Backlight

从物体背面射过来均匀视场的光。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标定物体的方向。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反射光而是入射光。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。

光与被照射物体的相互作用

无论是紫外线、可见光，还是红外线，当光线照射到物体上时，入射光会发生镜面反射(reflected)、漫反射(diffused)、透射(transmitted)或被吸收(absorbed)。而在某些情况下，还可能在表面发生极化(polarised)或者衍射(diffracted)。通常这些作用不会单独出现，而是几种作用混合，甚至高质量的镜子也只会反射约95%的入射光。反射光、漫射光、透射光和被吸收的光强总和等于入射光的光强，各个成分的大小与物体材料属性，表面形状，光的波长有关。

在表面检测中，我们可以粗略的把目标上的缺陷分为两类：几何形状缺陷和表面强度（密度）缺陷。几何形状缺陷包含凹坑、划痕、裂纹、毛刺、凸起、擦伤、碰伤等；表面强度缺陷有氧化、生锈、污点、污迹等。前者使表面反射发生变化，后者使表面反射和吸收都发生变化。只有仔细研究光源与被照物体相互作用特点，才能确定光源及照明方式。物体的色彩是光吸收的另一个例子，全波段的白光照射到物体表面，一些波长的光被物体表面吸收，一些波长的光被表面反射，物体呈现出于反射光相同频频的颜色。利用这个道理，我们可以使用黑白相机，选择特定波长的光源，突出物体表面待检测部分与其它部分的灰度差，实现可靠、稳定的检测。

审核编辑：刘清