0519-85602926
一个高效的操作平台需要在极短的时间内处理图像，出色的机器视觉软件应当能够灵活应用于多种场景，而优质的相机和镜头则必须具备极低的畸变和足够的分辨率。然而，理想的机器视觉照明需要具备哪些特点？在图像分析和处理过程中，光源扮演着怎样的角色？
在评估机器视觉照明的质量时，首先需要明确光源需要实现的目标。显然，光源的作用不仅仅是使检测部件在摄像头前可见。有时候，一个完整的机器视觉系统可能无法正常工作，但通过优化照明，系统就能恢复正常运作。
对比度：对比度对于机器视觉至关重要。照明系统的一个主要任务就是增强需要观察的特征与需要忽略的图像特征之间的对比度，从而便于特征的区分。对比度是指特征与其周围区域之间存在的足够灰度差异。理想的照明应该确保检测特征在背景中足够突出。
亮度：在挑选光源时，应优先选择亮度更高的光源。如果光源亮度不够，可能会出现以下几种不利情况：首先，相机的信噪比会下降；其次，由于亮度不足，图像对比度会降低，噪声出现的可能性增大；再次，为了增加景深，需要放大光圈，这又会降低景深；最后，亮度不足时，自然光等随机光对系统的影响最大。
鲁棒性：检验光源质量的一种方法是观察其是否对部件位置敏感度低。当光源放置在摄像头视野的不同区域或角度时，图像结果不应随之变化。方向性强的光源容易引起高亮区域的镜面反射，不利于后续特征提取。在许多情况下，理想的照明应该在实际应用中保持与实验室中的一致效果。
理想的照明应该使得需要寻找的特征非常明显，不仅让摄像头能够捕捉到部件，还应产生最大对比度、充足亮度且对部件位置变化不敏感。选择合适的光源后，后续的工作将变得更加简便！
在机器视觉应用中，我们关注的是反射光（除非使用背光）。物体表面的几何形状、光泽和颜色决定了光在表面上的反射。控制光源反射是机器视觉照明控制的关键。如果能够控制好光源反射，就可以控制获得的图像。因此，在机器视觉应用中，当光源照射到给定物体表面时，理解光源的关键在于控制光源及其反射。
可预测的光源效应：当光线照射至物体表面时，其反射情况是可预知的。光线可能被物体吸收或反射。某些材料，如黑金属，可能会完全吸收光线，导致表面难以被照亮；而其他材料则会部分吸收，从而改变颜色和亮度。未被吸收的光线会被反射，且反射角等于入射角。这一科学原理极大地简化了机器视觉系统中光源的设计，因为通过控制光源，可以实现对理想效果的实现。
物体表面的差异性对机器视觉光源设计的挑战：尽管光线的传播遵循可预测的规律，但设计适用于机器视觉的照明系统依然充满挑战。这种挑战主要源于物体表面的多样性和复杂性。若所有物体表面均一致，那么在处理实际应用时，便无需考虑多种光源技术。但现实情况是，物体表面的差异性要求我们观察视野中的物体表面，并分析光线照射后的反射行为。
反射光的调控：正如前述，控制反射光线能够直接影响图像质量，这在机器视觉照明设计中尤为关键。设计照明系统时，核心原则是精确调控光线反射至透镜的路径和强度。机器视觉照明设计的本质是对反射现象的研究。在决定采用何种照明方案之前，需考虑如何使物体清晰可见，以及如何通过照明引导所需光线反射至镜头。
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以及光源的均匀性。
光源位置：由于光线遵循入射角等于反射角的规律，光源的位置对获取高对比度图像至关重要。照明系统应设计得能够使感兴趣的特征在反射上与背景区分开来。通过预测光线在物体表面的反射情况，可以确定光源的理想位置。 表面纹理：物体表面可能表现为高度反射（如镜面反射）或高度漫反射。物体表面的光滑度是决定其反射类型的关键因素。粗糙表面（如纸张）因表面角度复杂，光线照射后会产生漫反射，使表面显得明亮。而光滑表面则减少了表面角度，使光线按照入射角反射。
表面形状：球形表面和平面物体在反射光线方面存在差异。物体表面形状越复杂，光线反射情况也越复杂。对于抛光的镜面表面，需要从多个角度照射光线，以减少光影效果。
光源均匀性的重要性：光的不均匀分布会导致反射的不均匀，这直接影响到图像的清晰度和准确性。均匀性涉及三个关键方面：在摄像头的视野范围内，光线应保持一致；图像中的暗区表示反射光不足，而亮点则意味着反射过强；不均匀的光源会导致视野内某些区域的光量超过其他区域，使物体表面的反射不均匀。
均匀光源的优势：均匀的光源能够平衡物体表面的角度变化，即使在物体表面的几何形状各异的情况下，也能保证各部分的反射均匀。
光源技术的应用：光源技术的核心在于设计光源的几何形状和位置，以增强图像的对比度。照明系统有助于突出机器视觉分析所需关注的区域。在选择照明技术时，应关注物体如何被照明以及光源如何反射和散射。以下列举了六种照明技术：通用照明、背光照明、同轴照明、连续漫反射照明、暗域照明和结构光照明。
照明技术概述：
标准照明：标准照明通常采用环状或点状光源。环灯是常用的标准照明形式，其设计便于安装在摄像头上方，能够为漫反射表面提供充分的照明。 背向照明：背向照明通过将光源放置在摄像头与物体之间的背面进行照明。
这种照明方式独特之处在于它分析的是入射光而非反射光，从而产生高对比度效果。尽管如此，它可能掩盖物体表面的某些细节。例如，背向照明可以用于测量硬币的直径，却无法区分其正反面。
同轴照明：同轴照明指的是光源以与摄像头轴线一致的角度照射物体表面。该技术利用半反射镜将光源反射至摄像头透镜的轴向，半反射镜仅允许垂直于透镜的反射光通过。同轴照明对于实现扁平物体表面带有镜面特征的均匀照明非常有效，并能凸显表面角度的变化。
连续漫反射照明：连续漫反射照明适用于表面反射性强或表面角度复杂的物体。它采用半球形的均匀照明来减少阴影和镜面反射，特别适用于完全组装的电路板照明，能够提供高达170立体角的均匀照明。
暗域照明：暗域照明提供的是相对于物体表面的低角度照明。在拍摄时，若视野中可见光源，则为亮域照明；若不可见，则为暗域照明。照明类型取决于光源的位置。通常，暗域照明用于照亮物体表面的突起部分或纹理变化。
结构光技术：结构光技术涉及将特定几何形状的光（如线条、圆形或正方形）投射到物体表面，通常使用激光或光纤作为光源。这种技术的一个主要用途是测量相机与光源之间的距离。
多光源照明：在多种应用场景中，为了确保视野中不同特征的对比度，多光源照明技术变得至关重要。
光源选择：在确定照明技术后，选择合适的光源是关键。理想的光源应满足照明需求，并具备良好的均匀性和稳定性。
在机器视觉应用中，选择光源时需考虑以下特性：
光谱特性：光源的颜色和测量物体的表面颜色会影响反射至摄像头上的光能大小和波长。例如，白光或特定光谱在提取颜色特征信息时可能至关重要。光源的色温在分析多种颜色特征时也是一个重要考量因素，如卤素灯的黄色光和氙灯的蓝色光。
光源效率：某些光源具备高效率特性，即在使用较少能量的同时，能够产生更多的光能输出，典型的例子是荧光灯。相比之下，钨灯则会产生大量的热量，导致能量消耗较高。效率较低的光源可能会引起局部过热，从而造成能源的浪费。一般来说，光源的温度越高，其使用寿命就越短，能耗也相对较大。
使用寿命：光源通常需要持续稳定地工作。例如，一个标称寿命为1000小时的光源，在实行两班倒的工作制下，可能仅能使用一周左右。因此，定期更换光源灯泡成为了必须的维护任务。LED光源因其极长的使用寿命（可达10,000至100,000小时）而受到广泛欢迎。对于大多数光源，随着其老化，光能输出会逐渐下降，这种下降的速度因光源的类型不同而有所差异。光能输出的变化也可能影响到光谱的特性。当光源老化的速度对图像处理结果产生显著影响时，需要特别注意并监测光源的变化。
