Technical Articles
Description of machine vision light source illumination technology and its image processing
Date：2018-01-24
Source：Samsun Technology
一、机器视觉光源照明技术的几个要素
1、方向：选择不同的光源，控制和调节照射到物体上的入射光的方向是机器视觉系统设计的最基本的参数。它取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。
1）直射光：入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出物体阴影；
2）散射光：入射光来自多个方向，甚至于所有的方向，它不会投射出明显的阴影。
2、光谱：光是由单一的或多种成份的光谱组成的，例如日光的光谱就是由从红外到紫外的所有光谱组成的，人眼能感觉的光谱范围在380nm至780nm之间，即从红色780nm到紫色380nm。光的颜色，取决于光源所产生的光的类型，以及覆盖在光源或摄像机镜头上的光学滤色镜。
3、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的平面上，例如线性极化光的振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，而漫散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，来消除镜面反射光的影响。
1）强度：光照的强度会影响摄像机的曝光，光线不足则意味着低对比度，就要加大放大倍数，就可能同时将噪音放大，也可能会使镜头的光圈加大，但景深减小了，增加了散热的可能？反过来，强度过大会浪费能量，并带来散热的问题。
2）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，有时只能做到视场的中心位置保持均匀。
二、影响机器视觉照明的几个特性
1、反射特性：从物体反射入射光的性能，有二种很不同的反射特性。
1)、镜面式反射：光线的反射角等于入射角。镜面式反射有时用途很大，有时又可能产生极强的眩耀。在大多数情况应避免镜面反射。
2)、漫散：照射到物体上的光从各个方向漫散出去。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。
2、颜色：人眼或摄像机观察到的颜色可能是由三种不同的方式形成的：
直接从照射光的波长来区分颜色。例如在580nm附近波长的光为绿色，利用此波长光照射绿色物体，从而特出物体和背景差异；
1)、相加色：二种或三种波长的光组合成某种波长光的效果，例如黄色光（波长为620nm）和蓝色光（波长为480nm）混合，出现绿色光的效果，但实际上在光谱的绿色部分并没有这一光谱段的能量。利用光的这一特性，发明了彩色电视，电视监视器中由红、绿、蓝三基色可基本上合成自然界的各种颜色。
2)、相减色：反射时，从光谱中去除某些波长的光。含有所有可见光谱的白光，照射到红色物体后，红色光谱被反射，而其它成份被物体吸收了。例如白的金属如钢，黄色金属如金。它们之间的颜色的差别是因为钢较均匀地反射所有光谱的光，而金反射了白光，但从中减去了蓝光，就会出现黄颜色的效果。
3、光学密度：不同物质、不同厚度或不同化学特性的物体，在光线穿过它们时，穿透率是不同的。这种差异可能在整个光谱范围内存在，也可能只存在于光谱的某些点。一般来说，背光是检测光学密度差异的最好办法。
4、折射：不同的透明物质，具有不同的折散率。它们用不同方向传送入射光。例如空气和玻璃的折射率不同，当定向光以某个方向照射时，在玻璃中的气泡使光线弯曲，以致于产生黑的或亮的气泡轮廓。
5、纹理：物体表面的纹理在图像处理时可能是有用的；也可能纹理太细了，以致无法分辨，但它又会影响到光的反射。有时纹理是重要的，应该用光照来加强，而有时纹理又是不需要的，它会引起噪音的效果，应该用光照来减弱纹理的影响。
6、高度：物体中不同高度的特征可以用定向光来加强或者用漫射光来减弱高度的影响。
7、表面方向：物体表面不同部位的相对方向的差异可以用定向光来加强，也可用漫散光来减弱。
三、机器视觉图像处理选择照明光源的三个步骤
1、确定照明类型（镜面反射/漫反射/透射光）
确认检验特征（瑕疵、形状、存在/不存在等），检查表面是否平整、翘曲或不平。
LED照明大体可分为以下三种类型：
1)、镜面反射型：光线照射到目标上，镜头接收到直接反射的光线
2）、漫反射型：光线照射到目标上，镜头接收到均匀的环境光线
3）、透射光型：光线照射到目标上，镜头接收到透射剪影。
2、确定照明装置的形状与大小
根据检查目标的尺寸与安装条件选择照明的方法与形状
1）、环形照明
2）、低角度环形照明
3）、背光照明
4）、条形照明
5）、碗状照明
6）、同轴照明
7）、光纤冷光源
3、确定照明的颜色和波长
1）、根据检查目标与背景的材质和颜色。如：红、白、蓝。
2）、根据目标与背景来确定照明的颜色。
3）、使用互补色进行检测
什么是互补色？
互补色是色环中正好相对的颜色。使用互补色光线照射物体时，物体呈现的颜色将接近黑色。我们根据色彩圆盘，用相反的颜色照射，可以达到最高级别的对比度。如，用冷色光照射暖色光的物体，颜色会变暗；用冷色光照射冷色光的物体，颜色则会变亮。使用彩色照相机时，通常选择白色。使用单色照相机时，需要具备以下知识。
4）、根据使用波长进行检测
使用红色照明获得的对比度高于使用蓝色照明，因为前者透过性更好（散射率更低）。不同波长的光线呈现不同的颜色。波长决定特定颜色的特征，如容易透射（红光—波长较长）、容易散射（蓝光—波长较短）。
1、方向：选择不同的光源，控制和调节照射到物体上的入射光的方向是机器视觉系统设计的最基本的参数。它取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。
1）直射光：入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出物体阴影；
2）散射光：入射光来自多个方向，甚至于所有的方向，它不会投射出明显的阴影。
2、光谱：光是由单一的或多种成份的光谱组成的，例如日光的光谱就是由从红外到紫外的所有光谱组成的，人眼能感觉的光谱范围在380nm至780nm之间，即从红色780nm到紫色380nm。光的颜色，取决于光源所产生的光的类型，以及覆盖在光源或摄像机镜头上的光学滤色镜。
3、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的平面上，例如线性极化光的振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，而漫散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，来消除镜面反射光的影响。
1）强度：光照的强度会影响摄像机的曝光，光线不足则意味着低对比度，就要加大放大倍数，就可能同时将噪音放大，也可能会使镜头的光圈加大，但景深减小了，增加了散热的可能？反过来，强度过大会浪费能量，并带来散热的问题。
2）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，有时只能做到视场的中心位置保持均匀。
二、影响机器视觉照明的几个特性
1、反射特性：从物体反射入射光的性能，有二种很不同的反射特性。
1)、镜面式反射：光线的反射角等于入射角。镜面式反射有时用途很大，有时又可能产生极强的眩耀。在大多数情况应避免镜面反射。
2)、漫散：照射到物体上的光从各个方向漫散出去。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。
2、颜色：人眼或摄像机观察到的颜色可能是由三种不同的方式形成的：
直接从照射光的波长来区分颜色。例如在580nm附近波长的光为绿色，利用此波长光照射绿色物体，从而特出物体和背景差异；
1)、相加色：二种或三种波长的光组合成某种波长光的效果，例如黄色光（波长为620nm）和蓝色光（波长为480nm）混合，出现绿色光的效果，但实际上在光谱的绿色部分并没有这一光谱段的能量。利用光的这一特性，发明了彩色电视，电视监视器中由红、绿、蓝三基色可基本上合成自然界的各种颜色。
2)、相减色：反射时，从光谱中去除某些波长的光。含有所有可见光谱的白光，照射到红色物体后，红色光谱被反射，而其它成份被物体吸收了。例如白的金属如钢，黄色金属如金。它们之间的颜色的差别是因为钢较均匀地反射所有光谱的光，而金反射了白光，但从中减去了蓝光，就会出现黄颜色的效果。
3、光学密度：不同物质、不同厚度或不同化学特性的物体，在光线穿过它们时，穿透率是不同的。这种差异可能在整个光谱范围内存在，也可能只存在于光谱的某些点。一般来说，背光是检测光学密度差异的最好办法。
4、折射：不同的透明物质，具有不同的折散率。它们用不同方向传送入射光。例如空气和玻璃的折射率不同，当定向光以某个方向照射时，在玻璃中的气泡使光线弯曲，以致于产生黑的或亮的气泡轮廓。
5、纹理：物体表面的纹理在图像处理时可能是有用的；也可能纹理太细了，以致无法分辨，但它又会影响到光的反射。有时纹理是重要的，应该用光照来加强，而有时纹理又是不需要的，它会引起噪音的效果，应该用光照来减弱纹理的影响。
6、高度：物体中不同高度的特征可以用定向光来加强或者用漫射光来减弱高度的影响。
7、表面方向：物体表面不同部位的相对方向的差异可以用定向光来加强，也可用漫散光来减弱。
三、机器视觉图像处理选择照明光源的三个步骤
1、确定照明类型（镜面反射/漫反射/透射光）
确认检验特征（瑕疵、形状、存在/不存在等），检查表面是否平整、翘曲或不平。
LED照明大体可分为以下三种类型：
1)、镜面反射型：光线照射到目标上，镜头接收到直接反射的光线
2）、漫反射型：光线照射到目标上，镜头接收到均匀的环境光线
3）、透射光型：光线照射到目标上，镜头接收到透射剪影。
2、确定照明装置的形状与大小
根据检查目标的尺寸与安装条件选择照明的方法与形状
1）、环形照明
2）、低角度环形照明
3）、背光照明
4）、条形照明
5）、碗状照明
6）、同轴照明
7）、光纤冷光源
1）、根据检查目标与背景的材质和颜色。如：红、白、蓝。
2）、根据目标与背景来确定照明的颜色。
3）、使用互补色进行检测
什么是互补色？
互补色是色环中正好相对的颜色。使用互补色光线照射物体时，物体呈现的颜色将接近黑色。我们根据色彩圆盘，用相反的颜色照射，可以达到最高级别的对比度。如，用冷色光照射暖色光的物体，颜色会变暗；用冷色光照射冷色光的物体，颜色则会变亮。使用彩色照相机时，通常选择白色。使用单色照相机时，需要具备以下知识。
4）、根据使用波长进行检测
使用红色照明获得的对比度高于使用蓝色照明，因为前者透过性更好（散射率更低）。不同波长的光线呈现不同的颜色。波长决定特定颜色的特征，如容易透射（红光—波长较长）、容易散射（蓝光—波长较短）。
