5、 光源

光源是影響機器視覺系統輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。

許多工業用的機器視覺系統用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩定。

以日光燈為例，在使用的第一個100小時內，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩定，是實用化過程中急需要解決的問題。

另一個方面，環境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數據存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環境光的影響。由于存在上述問題，在現今的工業應用中，對于某些要求高的檢測任務，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。

一個好的操作平臺應該能夠在最短的時間內處理圖像，好的機器視覺軟件應該能夠很容易的在一系列的案例中應用，好的相機和鏡頭應該是擁有最小的畸變和足夠的分辨率。但是，好的機器視覺照明應該有什么特點呢？在圖像的分析處理中，光源的角色又是什么呢？

判斷機器視覺系統照明的好壞，首先必須了解什么是光源需要做到的！顯然光源應該不僅僅是使檢測部件能夠被攝像頭“看見”。有時候一個完整的機器視覺系統很難完成的工作，但是僅僅優化一下光源就可以使系統順利進行了。

• 衡量光源的好壞

  對比度：對比度對機器視覺來說非常重要。機器視覺應用的照明的最重要的任務就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產生最大的對比度，從而易于特征的區分。對比度定義為在特征與其周圍的區域之間有足夠的灰度量區別。好的照明應該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。
  亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當光源不夠亮時，可能有三種不好的情況會出現。第一，相機的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上出現噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機光對系統的影響會最大。
  魯棒性：另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當光源放置在攝像頭視野的不同區域或不同角度時，結果圖像應該不會隨之變化。方向性很強的光源，增大了對高亮區域的鏡面反射發生的可能性，這不利于后面的特征提取。在很多情況下，好的光源需要在實際工作中與其在實驗室中的有相同的效果。

好的光源需要能夠使您需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應該能夠產生最大的對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。光源選擇好了，剩下來的工作就容易多了！

• 光源的控制

  機器視覺應用關心的是反射光（除非使用背光）。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機器視覺應用的光源控制的訣竅歸結到一點就是如何控制光源反射。如何能夠控制好光源的反射，那么獲得的圖像就可以控制了。因此，在機器視覺應用中，當光源入射到給定物體表面的時候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

光源可預測：當光源入射到物體表面的時候，光源的反映是可以預測的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金屬材料，表面難以照亮）或者被部分吸收（造成了顏色的變化及亮度的不同）。不被吸收的光就會被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個科學的定律大大簡化了機器視覺光源，因為理想的想定的效果可以通過控制光源而實現。

物體表面：如果光源按照可預測的方式傳播，那么又是什么原因使機器視覺的光源設計如此的棘手呢？使機器視覺照明復雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的，在解決實際應用的時候就沒有必要采用不同的光源技術了。但由于物體表面的不同，因此需要觀察視野中的物體表面，并分析光源入射的反映。

控制反射：如果反射光可以控制，圖像就可以控制了。這點再怎么強掉也不為過。因此在涉及機器視覺應用的光源設計時，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機器視覺的光源設計就是對反射的研究。在視覺應用中，當觀測一個物體以決定需要什么樣的光源的時候，首先需要問自己這樣的問題：“我如何才能讓物體顯現？”“我如何才能應用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？”

影響反射效果的因素有：光源的位置，物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。

光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置對獲取高對比度的圖像很重要。光源的目標是要達到使感興趣的特征與其周圍的背景對光源的反射不同。預測光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

表面紋理：物體表面可能高度反射（鏡面反射）或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個漫反射的表面，如一張不光滑的紙張，有著復雜的表面角度，用顯微鏡觀看的時候顯得很明亮，這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開了。而一張光滑的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

表面形狀：一個球形表面反射光源的方式與平面物體不近相同。物體表面的形狀越復雜，其表面的光源變化也隨之而復雜。對應一個拋光的鏡面表面，光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。

光源均勻性：不均勻的光會造成不均勻的反射。均勻關系到三個方面。第一，對于視野，在攝像頭視野范圍部分應該是均勻的。簡單的說，圖像中暗的區域就是缺少反射光，而亮點就是此處反射太強了。不均勻的光會使視野范圍內部分區域的光比其他區域多。從而造成物體表面反射不均勻（假設物體表面的對光的反射是相同的。

均勻的光源會補償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。

• 照明方式

  光源技術的應用：光源技術是設計光源的幾何及位置以使圖像有對比度。光源會使那些感興趣的并需要機器視覺分析的區域更加突出。通過選擇光源技術，應該關心物體是如何被照明及光源是如何反射及散射的。下面的表中列舉的是幾種常見的照明技術。

照明技術示意圖	照明技術及說明
	一般目的的照明（直接照明）：光直接射向物體，得到清楚的影像。當我們需要得到高對比度物體圖像的時候，這種類型的光很有效。但是當我們用它照在光亮或反射的材料上時，會引起像鏡面的反光。通用照明一般采用環狀或點狀照明。環燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。
	暗場（Dark Field）照明：暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明。使用相機拍攝鏡子使其在其視野內，如果在視野內能看見光源就認為使亮場照明，相反的在視野中看不到光源就是暗場照明。因此光源是亮場照明還是暗場照明與光源的位置有關。典型的，暗場照明應用于對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。
	背光照明：從物體背面射過來均勻視場的光。通過相機可以看到物面的側面輪廓。背光照明常用于測量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產生了很強的對比度。應用背光技術時候，物體表面特征可能會丟失。例如，可以應用背光技術測量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。
	同軸照明：同軸光的形成--通過垂直墻壁出來的變化發散光，射到一個使光向下的分光鏡上，相機從上面通過分光鏡看物體。這種類型的光源對檢測高反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環境產生陰影的影響，檢測面積不明顯的物體。
	漫射照明：連續漫反射照明應用于物體表面的反射性或者表面有復雜的角度。連續漫反射照明應用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170立體角范圍的均勻照明。