《机器视觉算法与应用》学习笔记（一）图像采集——照明

2.1 照明

机器视觉中照明的目的是使被测物的重要特征显现，而抑制不需要的特征。为达到此目的，我们需要考虑光源与被测物间的相互作用。其中一个重要的因素就是光源和被测物的光谱组成。我们可以使用单色光照射彩色物体以增强被测相应特征的对比度。照明的角度可以用于增强某些特征。

2.1.1电磁辐射

光谱表：

黑体光谱辐射符合普朗克 定律

光速

普朗克常数

玻尔兹常数

入是波长，T是温度。

光谱辐射和波长关系图：

2.1.2光源类型

白炽灯。通过在细细的灯丝中传输电流产生光，通常灯丝是用钨制成的。灯丝的温度非常高，器辐射在电磁辐射蒲县的可见光范围内。白炽灯的有点事相对较亮，而且可以产生色温为3000~3400K的连续光谱。还有一个优点是可以在低电压工作。缺点是发射严重，仅有5%左右的能量转换为光。

氙灯。是在密闭的玻璃灯泡中充上氙气，氙气被电离产生色温在5500~12000K的非常亮的白光。

荧光灯。使用不同的图层，可以产生3000~6000K色温的可见光。交流电供电，因此产生于供电相同频率的闪烁。对于机器视觉应用中为了避免图像明暗的变化，需使用不低于22kHz的供电频率。

发光二极管。采用直流供电，亮度容易控制。是机器视觉中应用最多的一种光源。

2.1.3光与被测物间的相互作用

反射发生在不同介质的分界面上。被测物表面的粗糙程度等细微结构，决定了光线有多少发生漫反射；多少发生镜面发射。

实际的物体要比上述简单模型复杂得多。比如有的物体是由几层不同的材料组成的，表层对于一定波长的光透明，二反射部分从上一层透过的光。因此，为实物找一个合适的光源常常需要大量的实验。

2.1.4利用照明的光谱

彩色物体反射了一部分光谱，其他部分被吸收。可以利用这一特点来增强我们需要的特征。比如使用合适的照明光源使其光谱正好是希望看到波长范围被物体反射，不希望看到的波长范围被物体吸收。

滤镜在机器视觉中的用途是很多的。CCD和CMOS对于红外敏感，因此，常常需要加上红外截止滤光片来避免图像过亮以及图像颜色变化。反过来，如果被测物是用红外照明的，使用红外透过滤光镜抑制可见光部分而仅让红外光通过将非常有助于得到好的图像。

另外一种滤光片是偏振片。光线在金属和绝缘体表面反射时光线会产生部分偏振。我们可以在摄像机前面加上偏振滤镜并调整方向来抑制偏振光。由于非偏振光反射后只有部分偏振，所以更好的抑制某些反射的方法是先使光线成为偏振光，然后再落到物体表面。

如图：

2.1.5利用照明的方向性

在我们有效地利用照明中光谱成分的同时，照明的方向性通常也可以用在机器视觉中来增强被测物的必要特征。

一方面，光源可以是漫射或直接照射的。漫射时，光在各个方向的强度几乎是一样的。直接照射时，光源发出的光集中在非常窄的空间范围内。在特定情况下，光源仅发出单向平行光，称作平行光照明。平行光照明与远心镜头的原理是相同的。

另一方面，光源和摄像机和被检测物的相对位置也是非常重要的。

1、正面光（入射光）：光源与摄像机位于被测物的同一侧。

2、背光：光源与摄像机位于被测物两侧。特别是当被测物是透明物体时称作透射光。

3、场照明：光源与被测物成一定角度，使得绝大部分光反射到摄像机。

4、暗场照明：光源位置使得大部分的光没有反射到摄像机，仅仅将照射到被测物体的特定部分的光反射到摄像机。

上述各种划分标准基本相互独立，可以又多种组合方式等。

1、明场漫射正面照明

明场漫射正面照明：常用于防止产生阴影，并用于减少或防止镜面反射。也可以用于透过被测物体的透明包装。

2、直接明场正面照明

a.常用语使孔洞感兴趣区域产生阴影，这种照明方式的缺点是光线分布不均匀。

b.常用于采集会产生镜面反射的物体的图像。原理是平行于像平面的被测物表面反射到摄像机，而物体的其他表面将光反射到远离摄像机的其他方向，此时需要远心镜头。此外，必须准确调整被测物的位置以确保需要的光线反射到摄像机中，如果机械安装无法保证这点，被测物的图像可能是全黑的。

3、直接暗场正面照明

直接暗场正面照明通常由LED环形光构成，环形光与物体表面呈非常小的角度，这样可以突出被检测的缺口及凸起，所以想划痕、纹理或雕刻文字等被增强，看的更加清晰。

4、明场漫射背光照明

明场漫射背光照明通常在光源前面安有漫射板，光源常采用LED平板或荧光灯。光源放在被测物体的后面。背光方式只显示不透明物体的轮廓，所以这种方式用于被测物需要的信息可以从其轮廓得到的场合。对于透明物体，背光可以避免使用正面造成的反射。

明场漫射背光照明的缺陷，如图2.13（b）所示，由于是漫反射，对于有一定高度的被测物，其在摄像机一侧的某些部分可能会被照亮。因此，漫射背光照明主要用于厚度不大的被测物。

5、明场平行背光照明

为了解决4中的摄像机一侧的被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。对于透视镜头，由于照明光源是平行光，光线在图像中是一个小点。因此，平行背光照明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。这种照明会使被测物轮廓非常锐利，此外，由于使用远心镜头，图像也没有投射变形，所以这种照明常用于测量应用。