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光源

成像原理

图像感知与获取

我们感兴趣的大多数图像都是由“照射”源和形成图像的“场景”元素对光能的反射或吸收二产生的，在“照射”和“场景”加上引号是为了强调这样一个事实，即比我们熟悉的一个可见光源每天照射普通的三维场景情况更为一般。“照射”可能由电磁能源引起，如雷达，红外线或X射线系统，也有可能是由非传统光源（如超声波）引起；“场景”可能是熟悉的物体，也可能是分子、大脑等。依赖光源的特性，“照射”被物体反射或透射，一般物体从平坦表面反射，而X射线透过病人的身体产生一幅X射线照片。
将“照射”能量转换为数字图像的主要传感器原理如图 2 所示，通过将输入电能和对特殊类型检测能源敏感的传感器材料相组合，把输入能源转换为连续的电压，输出连续电压波形为传感器的响应，将传感器响应的连续电压波形数字化就是将图像数字化，其过程如图 3 所示。在传感器前面添加滤光器可以改善选择性，如光传感器前面添加绿色滤光器有利于彩色谱的绿色波段光通过，在传感器输出的绿色比可见光谱中的其它分量要强。

图 2 传感器原理

图 3 成像原理

图像成像模型

将形如的二维函数来表示图像，在图像空间坐标处，f的值或幅度是一个正的标量，其物理意义由图像源决定。当一幅图像由物理过程产生时，其亮度值正比于物理源（如电磁波）所辐射的能量，因此，一定是非零和有限的，即

函数可由两个分量来表征：

入射到被观察场景的光源照射总量；
场景中物体所反射的光照总量；

这两个分量分别称为入射分量和反射分量，分别用和来表示，两个函数的乘积为，即

其中

式 (1.6)指出反射分量限制在 0（全吸收）和 1（全反射）之间，的性质取决于照射源，而的性质取决于成像物体的特性，这是反射成像模型。当成像方式为透射成像时，如射线成像，可将上式中的反射函数改为透射函数。

光源

一套视觉系统主要包括图像采集模块和图像处理模块，图像采集模块主要包括相机、镜头以及光源。图像是机器视觉处理问题的核心，光源是决定图像质量的重要因素。目前尚未有通用的机器视觉光源设备，都是针对特定场景设计对应光源系统以达到图像处理的最佳效果。

光源作用

照亮目标，提高亮度；
形成有利于图像处理的成像效果，降低视觉检测系统的复杂度和对图像处理算法的难度；
克服环境光干扰，保证图像稳定性，提高系统的精度、效率；

照射方式

直射光：入射光基本上来自一个方向，明亮，射角窄，能投影出物体的阴影，会有光点；
漫射光：入射光来自多个方向，甚至所有方向，较暗，射角宽，无光点，光斑均匀，不会投影出明显阴影；

反射方式

直反射：光线的反射角等于入射角，适合明亮，表面光洁的物体，大多数情况下应避免镜面反射；
漫反射：照射到物体上的光从各个方向漫散出去，适合较暗表面粗糙的物体，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；

视场

明视场：采用正面直射光照射形成；
暗视场：主要低角度或背光照明形成，一般来说暗视场会使背景呈黑暗，而被检测物体呈明亮；

光源分类

颜色：主要是可见光范围，白光、红、蓝、绿，红外等光，紫外光应用较少；
外形：主要环形光源、环形低角度光源、条形光源、圆顶光源、面光源；
工作原理：无影光源、同轴光源、点光源、线光源、背光源、组合光源以及结构光源等；

照明分类

直接照明：光直接射向物体，得到清楚影像，适用于得到高对比度物体图像，当照射在光亮或者反射材料上时，会引起镜面反光。直接照明一般采用环状或者点状照明，环光可给漫反射表面提供足够的照明；
暗场照明：暗场照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用工业相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮场照明，相反的在视野中看不到光源就是暗场照明。因此光源是亮场照明还是暗场照明与光源的位置有关。典型的，暗场照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明；
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面的侧面轮廓。背光照明常用于测量物休的尺寸和定物体的方向。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；
漫射照明：连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到170立体角范围的均匀照明；
同轴照明：同轴光的形成–通过垂直墙壁出来的发散光，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的影响，检测面积不明显的物体；
偏振片：只允许振动方向平行于其允许方向的光能通过，垂直分量被截止；
结构光：结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形）。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离；

光源种类

机器视觉常用的光源主要有：荧光灯、卤素灯、LED灯。

图 4 荧光灯

图 5 卤素灯

图 6 LED灯

卤素灯适合在高亮度应用场合；
荧光灯因为其色还原性好的的特点仍然被广泛使用于色彩检测中；
LED灯技术发展很快，也因其寿命长，亮度稳定，可构成不同形状的光谱，可频闪和低功耗等，逐渐在机器视觉使用的光源中占主导地位；

	荧光灯	卤素灯	LED
价格	低	高	中
亮度	低	高	中
稳定性	低	中	高
使用寿命	中	低	高
多色光	无	无	有

LED光源

机器视觉中常用的LED光源可以分为两大类：正面照明LED光源和背面照明LED光源

正面照明LED光源：主要用于检测物体表面特征；
背面照明LED光源：主要用于检测物体轮廓或透明物体纯净度；

正面照明LED光源按照结构不同，又可分为环形光源、条形光源、同轴光源和方形光源。目前，环形光源用得较多，包括直接照射环形光源、漫反射环形光源、Dome光源等。

直接照射环形光源：适用于不反光物体的检测；
漫反射环形光源：适用于反光物体的检测；
Dome光源：是漫反射光源的一种，但它是通过半球型的内壁多次反射，可以完全消除阴影。主要用于检测球型或曲面物体；

按照照射角度的不同，直接照射环形光源可分为：垂直照射环形光源、带角度环形光源、低角度环形光源和水平照射环形光源等。可以简单理解为：每个LED的光轴和环形灯外壳之间的夹角，依次为0°、20°、60°和90°。不同的照明角度适用于不同的检测要求。

垂直照明和带角度照明为明视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都能进入摄像头，故背景呈白色，比如物体表面突出特征的检测。
低角度照明和水平照明为暗视野照明，也就是被测物体表面大部分反光都不进入摄像头，故背景呈黑色，只有物体高低不平之处的反光进入摄像头，比如金属表面划痕的检测，背景呈黑色，划痕呈白色。
垂直照明和带角度照明的区别在于，前面一种的照射距离较远，后者较近。
低角度环形照明和水平照射环形照明的区别也是这样。同时，漫反射环形也有直射和低角度之分。