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機(jī)器視覺(jué)光源

2010.06.09

做機(jī)器視覺(jué)，一定會(huì)涉及到光源，它在機(jī)器視覺(jué)中有重要的作用，直接影響到圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的性能。　　　
所以我們說(shuō)光源起到的作用：就是獲得對(duì)比鮮明的圖像?！　?
圖像的質(zhì)量好壞，也就是看圖像邊緣是否銳利,具體來(lái)說(shuō)：　　
1、將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大　　
2、盡量消隱不感興趣部分　　
3、提高信噪比，利于圖像處理　　
4、減少因材質(zhì)、照射角度對(duì)成像的影響

圖像的邊緣銳利程度對(duì)比
　常用的有LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。
先簡(jiǎn)單介紹一下后面兩種?！　?
鹵素?zé)粢步泄饫w光源，因?yàn)楣饩€是通過(guò)光纖傳輸?shù)?，適合小范圍的高亮度照明。它真正發(fā)光的是鹵素?zé)襞冢β屎艽?，可達(dá)100多瓦。高亮度鹵素?zé)襞?，通過(guò)光學(xué)反射和一個(gè)專門的透鏡系統(tǒng)，進(jìn)一步聚焦提高光源亮度。鹵素?zé)暨€有一個(gè)名字叫冷光源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的。適合對(duì)環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合，比如二次元量測(cè)儀的照明。但它的缺點(diǎn)就是鹵素?zé)襞趬勖挥?000小時(shí)左右。

高頻熒光燈，發(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，并且采用高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠(yuǎn)高于相機(jī)采集圖象的頻率，消除圖像的閃爍。適合大面積照明，亮度高，且成本較低。但需要隔一定時(shí)間換燈管一定要進(jìn)口的才過(guò)關(guān)，國(guó)內(nèi)的高頻做的不行，老有閃爍，國(guó)外最快可做到60KHz。

　相對(duì)來(lái)說(shuō)，目前LED光源最常用。主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：　　
1、         使用壽命長(zhǎng)，10000-30000小時(shí)?！　?
2、         由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度?！　?
3、         有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不同檢測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長(zhǎng)的光源，達(dá)到理想效果。
　

　
　
下面我們具體討論以下LED光源的分類。
LED光源可以分為2大類：一類是正面照明，一類是背面照明。
正面照明用于檢測(cè)物體表面特征，背面照明用于檢測(cè)物體輪廓或通明物體的純凈度。
正面光源按照光源結(jié)構(gòu)分，有環(huán)形燈、條形燈、同軸燈和方形燈。當(dāng)然環(huán)形燈用得最多，包括直射環(huán)形，漫反射環(huán)形,Dome燈等?！　?
我們說(shuō)直接照射環(huán)形、漫反射環(huán)形、Dome燈，這三種的區(qū)別如下。
比如直接照射環(huán)形，適合不反光物體的檢測(cè)；
漫反射環(huán)形，適合反光物體檢測(cè)?！　?
　　

直射環(huán)形(垂直照射)

　帶角度環(huán)形　　

低角度環(huán)形

　水平照射環(huán)形　
　

Dome燈，也算漫反射的一種，但它是通過(guò)半球型的內(nèi)壁多次反射，可以完全消除陰影。主要用于檢測(cè)球型或曲面物體。

直接照射環(huán)形按照射角度分，有直射環(huán)形(垂直照射),帶角度環(huán)形,低角度環(huán)形和水平照射環(huán)形等?？梢岳斫饩褪牵好總€(gè)LED的光軸和環(huán)形燈外殼之間（其實(shí)就是與水平面）的夾角，依次為0°，20°，60°, 90°(具體型號(hào)可能會(huì)稍有變化)。不同的角度適合不同的檢測(cè)要求。前面兩種為明視野照明，也就是被測(cè)物體表面大部分反光都能進(jìn)攝像頭，故背景呈白色，比如物體表面突出特征的檢測(cè)；后面兩種為暗視野照明，也就是被測(cè)物體表面大部分反光都不進(jìn)攝像頭，故背景呈黑色，只有物體高低不平之處的反光進(jìn)入攝像頭，比如金屬表面劃痕的檢測(cè)，背景呈黑色，劃痕呈白色。同時(shí)，直射環(huán)形(垂直照射)和帶角度環(huán)形的區(qū)別在于，前面一種的照射距離較遠(yuǎn)，后者較近。低角度環(huán)形和水平照射環(huán)形的區(qū)別也是這樣?！　?
同時(shí)，漫反射環(huán)形也有直射和低角度之分。　　

直射漫反射

低角度漫反射
　條形燈，有兩個(gè)應(yīng)用。一個(gè)是寬幅檢測(cè)，2個(gè)或4個(gè)條形組合使用，另一個(gè)是線掃描的照明。
前面一個(gè)―――條形燈組合使用，它的最大特點(diǎn)是每個(gè)方向的光源照射角度可調(diào)，因?yàn)楣庠吹恼丈浣嵌葘?duì)我們最終的圖象效果有很大影響。靈活性比較大，但調(diào)試時(shí)也相對(duì)費(fèi)事一些。
　

　
　另外一個(gè)應(yīng)用，就是線掃描照明。因?yàn)楝F(xiàn)在linescan項(xiàng)目多起來(lái)了，所以想多介紹一些。linescan相機(jī)每次都是采集一條線，且曝光時(shí)間短，對(duì)光源亮度要求很高。光源需要采用聚光型，集中照到一條線上，這樣才能準(zhǔn)確控制你的圖象穩(wěn)定。Linescan的照明，常用的有幾種辦法：超高亮LED+聚光鏡、光纖+聚光鏡、高頻熒光燈+聚光鏡。超高亮LED+聚光鏡，壽命長(zhǎng)不用說(shuō)，但成本較高，照射距離可能會(huì)受一些限制；
光纖亮度高，但成本貴；高頻熒光燈，成本較低，但需要隔一定時(shí)間換燈管。

　

接下來(lái)介紹同軸燈。

同軸燈主要用于檢測(cè)反光程度很厲害的平面物體，比如玻璃。
它的特點(diǎn)是：里面有一塊45度安裝的半透半反玻璃。LED發(fā)出的光線，先通過(guò)全反射垂直照到被測(cè)物體，從被測(cè)物體上反射的光線垂直向上穿過(guò)半透半反玻璃，進(jìn)入攝像頭。這樣就既消除了反光，又避免了圖象中產(chǎn)生攝像頭的倒影?！　?

但是有一點(diǎn)提醒一下，同軸燈可以消除反光，但只適合檢測(cè)平面的物體，而不適合檢測(cè)有弧度的物體。因?yàn)橥S燈讓CCD只能接受到和物體垂直，也就是和鏡頭同軸的光線，所以就叫同軸燈啊。　　
當(dāng)然同軸燈還有一種，就是點(diǎn)光源。因?yàn)辄c(diǎn)光源是和同軸鏡頭配合使用。事實(shí)上，只是把上面同軸燈45度半透半反的玻璃，移植到鏡頭里面去了。所以這時(shí)選的是同軸鏡頭?！　?
背面照明

背光的作用就是讓透光和不透光的部分，區(qū)分開(kāi)來(lái)：透光的地方呈白色，不透光呈黑色。這樣取得一個(gè)黑白對(duì)比的圖片。
在背光的選型上面，一個(gè)就是需要均勻性好，第二個(gè)就是看穿透力。如果需要穿透力強(qiáng)的話就可以選，紅外光。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)長(zhǎng)穿透力更強(qiáng) 　　

提到這個(gè)問(wèn)題，順便介紹一下光源的顏色選型。
一般有紅、綠、藍(lán)、白、紅外。其中紅色用得最多，因?yàn)榧t色LED成本低,并且黑白CCD 芯片對(duì)660nm光線最敏感。蘭色適合檢測(cè)物體表面質(zhì)量，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)短。當(dāng)然，紫外的散射性更好，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)更短。而白色是中性顏色，適合拍彩色圖片，或者被測(cè)物體的顏色在變化的。綠色的亮度很高，且波長(zhǎng)和蘭色接近，所以有時(shí)可用綠色代替蘭色。紅外用于半透明等的物體檢測(cè)。
　　波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越強(qiáng)；波長(zhǎng)越短，擴(kuò)散性越好?！　?

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