照明如何助于机器视觉捕获更多细节

光学成像的基本法则是必须有足够的光线才能对拍摄对象进行清晰的成像，而如何在环境光线不足时也能清晰成像是整个行业不断研究和探索的方向。通过高效、审慎的方式利用已有光线可以解决这个问题，并且有助于突出拍摄对象的成像细节。

当光照射到目标体时，有四种可能的结果：光被物体反射、吸收、散射或折射。这4种现象都不是单独存在的，而是并存且可能重叠的。

大多数照明挑战都涉及捕捉散射光和减少反射光。散射光通常是视觉系统需要的，因为散射光是从物体表面向多方向产生的均匀光强，而反射光会往固定方向产生刺眼的“亮点”，从而难以捕捉图像。可见的颜色取决于光能被物体表面吸收和反射的波长。通过增强对比度、控制光源发射的波长，相机能更容易地捕获细节。折射是指光如何穿过诸如水之类的介质，在此不予以讨论。

反射和散射可以同时发生在同一目标上。光源的方向和强度以及物体表面特性将决定有多少光会被反射/散射。

液体的低角度反射

如上图所示，镜面平面反射导致的失真最小。镜子、高度抛光的金属表面和液体等材料会在低角度产生镜面平面反射。使用此类材料时照明位置需要特别注意，以免光线直接反射到相机镜头中，产生“热点”。

光线不均匀的机加工金属

多镜面反射是光在不平整的反射表面上的一种挑战。目标表面的粗糙度导致光线被部分散射，但在足够高的光强度下，反射光会导致眩光并降低目标表面的对比度。这类反射在机加工金属、新鲜焊料和轧制金属过程中很常见。

无定形材料的表面可以将入射光完全散射到各个方向，产生漫反射现象。具有这种光散射能力的材料，例如白纸、面粉、糖粉等细粉以及陶瓷，它们可以将集中的光照均匀地漫反射到各种方向，因此材料表面能被均匀的照亮.

无定型面粉

明场和暗场照明是两种不同的前向照明方法，但是照明的角度不。明场照明光源位于相机视野（FoV）的反射锥内。下图的蓝色圆锥区域为相机的视野FoV，左右两侧线条定义了反射角的外侧。位于反射角内的光可以被物体表面反射到相机，则被称为明场照明。在二维模型中，这也称为“W”照明，因为内角和外角创造了一个“W”形的边界。

明场和暗场照明

光源在“W”边界之外的反射光称为暗场照明。可以看到光源与拍摄目标的角度要小得多，由于大部分的反射光都不会进入相机镜头，物体表面在均匀的漫反射光下形成了高对比度。这种照明方式常用于提高物体表面对比度，捕捉清晰的细节，以便于更好地观察物体表面缺陷或表面变化。

明场与暗场照明下的硬币表面成像

背光照明通常使用面对相机的均匀光源从背后照亮目标。使用背光照明时，固体物体将显示为黑色，背景显示为白色，从而可以清晰地检查目标的边缘。最适合使用背光照明的应用包括物体轮廓验证，以及机加工部件的金属刮痕检测。由于反射被引向光源，均匀的光照有利于半透明物体的成像。捕捉到的目标图像是透射光通过目标本身的结果，使其成为反射和半透明塑料成像的绝佳选择。

近些年LED照明创新一直是照明行业的颠覆性影响因素，以后还会有更多的LED新配置和不同的光源外形尺寸被设计出来。在为视觉应用大规模配置照明之前，应用真实设备进行测试，以确保照明系统设计的可靠性。在测试中，尽可能地应减少或移除所有的外部光源，达到实验中只有测试的光源与成像系统进行互动。

平面光源通常被称为一般照明。平面光源以相对均匀分布的光线来照亮一个区域，前提是光源离拍摄对象足够远，不会产生“热点”。通过精确摆放，一到两个平面光源通常足以用于一般成像目的。

环形光源是照亮高反射镜面表面必须备光源，因为环形光源有助于消除反射并捕捉无阴影的图像。直接将环形光源放置在相机前面，镜头通过环形中心的开口捕捉图像。这样，光线从镜头周围的各个方向照射到目标上，可以减少了阴影的出现。

安装在相机镜头上的环形光源

圆顶光源是照亮高镜面和纹理表面的理想选择，如用于球轴承、金属圆柱体和机加工金属的视觉应用中。如图示，相机通过圆顶光源顶部的开口拍摄目标进行成像。光源发出的光通过顶部内表面反射到目标上，然后通过顶部开口又反射到相机镜头。为了能均匀打光，圆顶的内表面必须采用能够散射光且几乎没有镜面反射的材料。

圆顶光源覆盖的物体从内部被照亮并从顶部开口进行拍摄

结构光源通常用于三维物体成像。结构光源通过一条或编程后的多条激光线照亮物体。通过观察物体表面的光图案和激光线的偏差（变形）来计算物体的高度和轮廓。

不同编码结构的光源

彩色光源可根据应用要求，通过添加颜色（使用特定波长的光），来帮助上述各类光源（除了结构光）增强成像细节或提高对比度。例如添加窄光可以有选择地照亮指定的物体，而不会在更广的区域产生反射。

红外照明可用于多种成像解决方案，以增强人眼看不到的细节。由于大多数成像系统在近红外波长（750-1200nm）处有一定的灵敏度，因此它们能够看到我们肉眼无法感知的视觉信息。下面两个场景将探讨如何使用红外光来可视化实际应用。

波长较长的红外光可以自由透过许多液体，具有红外光的成像设备可以透过液体捕获一定的信息。如下图，黑白相机配上红外光辅助，可以透过红酒、可乐等不透明液体拍摄到被遮挡的信息。

利用近红外光照射半透明红酒的实验

利用近红外光检测可乐中的异物（弹簧）

当检查印刷电路板（PCB）上被阻焊层和/或丝印字母覆盖的区域时，使用近红外光检查的效率要高得多，因为这个波长的光能轻易穿透字母涂层，并被埋设的铜线反射。

如下图，上半图是可见光下PCB的一部分，电镀焊盘的铜走线被阻焊层和丝印的“TP 10”字样所遮挡；下半图是近红外光下PCB的一部分，丝印字样几乎看不见，铜在整个走线长度和裸焊盘处具有一致的强度。这说明阻焊层在近红外光下对埋设的铜走线无明显影响。

利用近红外光检查PCB的埋线

使用彩色灯光可以提高计算机视觉检查的对比度。由于大多数视觉系统使用黑白相机，彩色灯光可以“减弱”背景颜色，并让视觉系统成功捕捉细节。

蓝色背景上两种不同的日期戳（彩色）

图中喷印，左边的日期戳使用的红色墨水，右边的日期戳使用的黑色墨水，均在蓝色背景上。用同一个黑白相机在白光和蓝光下分别成像，并使用计算机分析了黄线上印字和背景（峰值）之间的像素值差异，如下图所示：

白光下日期戳的对比分析

蓝光下日期戳的对比分析

白光下，字母J的灰度像素值下降约15，而蓝光下，同一字母灰度值下降了40个点。这是因为蓝光可以产生更亮的背景并有助于提高与印字的对比度，印字的红色墨水吸收了所有的蓝光，而背景反射了大量的蓝光。而白光实验中，红色墨水反射白光的红色成分，背景则反射光的蓝色成分，这大大降低了印与背景的对比度。因此根据应用使用特定波长的灯光照亮目标对机器视觉成像非常有利。

使用偏振滤光片对光源进行滤光，有助于基本机器视觉的表面缺陷成像检查。在下图对比实验中，将偏振滤光片放置在背光光源和相机镜头上，旋转相机上的偏振滤光片，使之与光源上的偏光滤光片的方向对齐，然后进行成像。

塑料尺缺陷检测（非偏振白色背光）

将镜头上的滤光片旋转90°，阻止偏振光进入相机镜头。但塑料尺表面缺陷会改变光的偏振，经过第二偏振滤光片进入相机时缺陷就显示为白色的成像，这样相机可以很容易地捕获到清晰的缺陷图像。

塑料尺缺陷检测（偏振白色背光）

不同的光源搭配不同的照明方式，可以对相机成像产生巨大的变化。对不同的成像对象要考虑材料的表面特性，考虑该材料如何反射光，以及光源与物体表面的角度。无论是使用偏振光检查固体表面缺陷还是使用近红外光检查液体杂质，关键在于使用设计合适的照明方案。

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