概述

機(jī)器視覺（machine vision）照明技術(shù)主要任務(wù)為提升被測物體特征與背景之間的對比度。對比度越大，感興趣物體特征越明顯，降低后期很多圖像處理工作，提升整個機(jī)器視覺系統(tǒng)效率。觀測相同的物體，一旦照明方式不同，觀測到的畫面就會發(fā)生驚人地變化。如下圖，分別采用明場照明和暗場照明，光源照射角度不同，成像效果差異明顯。選擇合適的照明技術(shù)可能看起來是個黑盒子，大多數(shù)人們都是基于工作經(jīng)驗(yàn)選擇，通過嘗試不同照明方式判斷是否可行。枚舉嘗試經(jīng)驗(yàn)方法耗時耗力。因此理解照明技術(shù)，科學(xué)有效快速選擇合適的照明方式至關(guān)重要。

機(jī)器視覺照明技術(shù)有幾個要素：

入射角(angle of incidence)light cofiguration 控制和調(diào)節(jié)光源照射到物體表面的入射光角度是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的最基本的參數(shù)，它決定于光源的類型和相對于物體放置的位置。

光束方向性直射光基本來自同一個方向，它能投射出物體陰影；散射光來自于多個方向，甚至于所有方向，它不會透射出明顯的陰影。

光譜光是由單一的或多種成分的光譜組成，例如日光的光譜就從紅外到紫外的所以光譜組成。光的顏色，取決于光源所產(chǎn)生的的光的類型，以及覆蓋在光源或攝像機(jī)鏡頭上的光學(xué)濾色鏡。

偏振性(polarization)又稱極化光，是光波的一種特性，光在傳播時和電磁波一樣是震蕩的，一般的光波的震蕩方向是不定的，而極化光的震蕩方向處在一個確定平面上，例如線性極化光的震蕩軸與傳播方向垂直。光波的這種定向性，在鏡面式的反射光中保留了這種偏振性，而漫射式的反射光則丟失了。這樣就可以使用光線的偏振性使鏡面眩光掠過攝像機(jī)鏡頭，來消除鏡面發(fā)射光的影響。

光強(qiáng)光照的強(qiáng)度會影響攝像機(jī)的曝光，當(dāng)選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況會出現(xiàn)。第一，相機(jī)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(xiàn)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(dāng)光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機(jī)光對系統(tǒng)的影響會最大。反過來，光強(qiáng)過大會浪費(fèi)能量，并帶來散熱的問題。

均勻性在所有的機(jī)器視覺應(yīng)用中，都會要求均勻的光照，因?yàn)樗械墓庠措S著距離的增加和照射角的偏離，其照射強(qiáng)度減小，所以在對大面積物體照明時，會帶來較大的問題，有時只能做大市場中心位置保持均勻。

入射角是非常重要因素，據(jù)此機(jī)器視覺照明劃分為明場(bright field)，暗場(dark field)和背光(backlight)，再考慮光束方向性，可分為全明場和部分明場，分類圖如下

明場照明技術(shù)Bright Field

明場照明技術(shù)是常用的照明方式，光源入射角在45度到90度之間，絕大多數(shù)光反射到相機(jī)中，成像明亮。明場可以根據(jù)光源的立體角(solid angle)大小分為兩種：

部分明場Partial or Directional Bright Field

在有效工作距離中，擁有較小立體角的光源，如環(huán)形光源(ring light)、條形光源(bar light)或者點(diǎn)光源(spot light)等直射光。光源光束以某一方向照射物體。

全明場Full Bright Field

光源立體角較大，比如同軸漫射光源(diffused coaxial light)、圓頂光源(dome light)、面光源(area light)等漫射光，從多個方向照射物體，消除表面不平整形成的干擾。

全明場照明（漫射照明）技術(shù)

全明場有較大立體角，光源從多個方向照射到物體表面，會產(chǎn)生無方向、柔和的反射光。如下圖所示，當(dāng)采用直射光照明時，由于光線存在方向性，金屬和屏幕上的劃痕等有很強(qiáng)的反光成像效果。當(dāng)采用漫射照明時，物體表面被相對均勻照射，雖然金屬表面的劃痕仍能看到，但屏幕上的小劃痕已經(jīng)看不清楚了。漫射照明適合于高反光平整材質(zhì)物體，可以消除小的變形、褶皺影響，只對邊緣和比較大的曲面有對比度差異成像效果。

同軸漫射光源

同軸照明是與相機(jī)軸向有相同的方向的光照射到物體的表面。同軸照明使用一種特殊的半反射鏡面反射光源到攝像頭的透鏡軸方向。光源通過漫射板（diffusor）發(fā)散打到半透半反分光鏡（semi-transparent beam splitter）上，該分光片將光反射到物體上，再由物體反射到鏡頭中。由于物體反射后的光與相機(jī)處于同一個軸線上，因此，此種方式的光源被稱之為同軸光。同軸照明技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。

圓頂光源

雖然同軸漫射照明也會產(chǎn)生漫射光，但只有圓頂漫射照明能夠真正產(chǎn)生各個方向均勻照射的漫射光，也稱為為無影燈（shadow-free light）。為了獲得這種效果，LED燈珠光束出來后沒有直接打到物體上，而是照射到球形反射鏡上，重新定向，最終從不同方向照在被測物體上。

圓頂漫射非常適合于表面不平整的光滑表面物體的高質(zhì)量成像。一個應(yīng)用例子為印刷質(zhì)量檢測，包裝表面有褶皺和凸起不平整，圓頂漫射照明可以抑制表面不平整等外觀結(jié)構(gòu)干擾特征，只留下清晰的印刷字體信息，使得表面成像效果一致。

此種照明技術(shù)應(yīng)用限制為工作距離，為了確保均勻照明，工作距離必須盡可能地近些，工作距離越長，光束的方向性越強(qiáng)，漫射均勻性降低。如下圖所示，當(dāng)光源工作距離為5mm時，邊緣弧面區(qū)域近乎均勻照亮，當(dāng)工作距離逐漸增加時，越來越多的邊緣區(qū)域沒有被照亮，邊緣區(qū)域照明均勻一致性消失。

部分明場照明技術(shù)

光源光束以某個方向入射到物體表面，物體表面照亮的同時，劃痕、邊緣和褶皺等表面紋理會被照暗或者照的更亮。如下原理圖所示，凹槽左邊平面與入射光方向相近，使得反射光線更加遠(yuǎn)離相機(jī)視野，相機(jī)無法接受到光線，因此成像較暗。而凹槽右邊平面與入射光方向相對，使得反射光更多進(jìn)入相機(jī)視野，成像較亮。該照明技術(shù)可以增強(qiáng)邊緣粗糙結(jié)構(gòu)成像效果。

暗場照明技術(shù)Dark Field

光源以小于45度的入射角照射物體表面。用這種照射方法，根據(jù)光學(xué)反射定律，所有的反射光線都無法到達(dá)相機(jī)，視覺系統(tǒng)什么都看不到，為黑色。但可以更加凸顯邊緣和劃痕等特征。

對目標(biāo)物以較低的角度照射光，可使陰影更加清晰，連細(xì)微的凹凸也可掌握。

極其暗場照明需要離表面較近，最大距離為0.5~2cm。如果距離增大，表面將無法照亮

背光照明技術(shù)Backlight

從物體背面射過來均勻視場的光。通過相機(jī)可以看到物體的側(cè)面輪廓。背光照明常用于測量物體的尺寸和標(biāo)定物體的方向。背光照明是將光源放置在相對于攝像頭的物體的背面。這種照明方式與別的照明方式有很大不同因?yàn)閳D像分析的不是反射光而是入射光。背光照明產(chǎn)生了很強(qiáng)的對比度。應(yīng)用背光技術(shù)時候，物體表面特征可能會丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。

光與被照射物體的相互作用

無論是紫外線、可見光，還是紅外線，當(dāng)光線照射到物體上時，入射光會發(fā)生鏡面反射(reflected)、漫反射(diffused)、透射(transmitted)或被吸收(absorbed)。而在某些情況下，還可能在表面發(fā)生極化(polarised)或者衍射(diffracted)。通常這些作用不會單獨(dú)出現(xiàn)，而是幾種作用混合，甚至高質(zhì)量的鏡子也只會反射約95%的入射光。反射光、漫射光、透射光和被吸收的光強(qiáng)總和等于入射光的光強(qiáng)，各個成分的大小與物體材料屬性，表面形狀，光的波長有關(guān)。

在表面檢測中，我們可以粗略的把目標(biāo)上的缺陷分為兩類：幾何形狀缺陷和表面強(qiáng)度（密度）缺陷。幾何形狀缺陷包含凹坑、劃痕、裂紋、毛刺、凸起、擦傷、碰傷等；表面強(qiáng)度缺陷有氧化、生銹、污點(diǎn)、污跡等。前者使表面反射發(fā)生變化，后者使表面反射和吸收都發(fā)生變化。只有仔細(xì)研究光源與被照物體相互作用特點(diǎn)，才能確定光源及照明方式。物體的色彩是光吸收的另一個例子，全波段的白光照射到物體表面，一些波長的光被物體表面吸收，一些波長的光被表面反射，物體呈現(xiàn)出于反射光相同頻頻的顏色。利用這個道理，我們可以使用黑白相機(jī)，選擇特定波長的光源，突出物體表面待檢測部分與其它部分的灰度差，實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的檢測。