利用照明优化相机视觉性能—技术与应用频道- 视觉系统设计

光的工作原理可能是一个复杂的主题。成像中主要的经验法则之一永远不嫌有太多的光。然而，常见的问题是要获取足够的光线来对拍摄对象进行清晰地成像。可以通过减少特定成像对象所需的光量，以高效、审慎的方式利用光源来解决这个问题，并有助于突出细节或缺陷。

本文将介绍一般的照明原理，探索不同的光源，以及如何在实际应用中充分利用灯光设备。例如，可以通过使用滤光片来实现计算机视觉的近红外检测和对比度增强。然而，使用滤光片会减少到达传感器的光量，因此需要灵敏度更高的相机。当使用滤光片透射的特定光时，通过减少其他光可以获得更清晰的图像。

照明原理

当光与目标相互作用时，有四种可能的结果：被物体反射、吸收、散射或折射。然而，这些结果并不是相互排斥的，并且这些单独的结果可能会重叠，尤其是在不同的波长处。

大多数照明挑战都涉及到减少散射光和反射光。散射光通常是视觉系统需要的，因为散射光从物体表面产生均匀的光强，而反射光会产生刺眼的“热点”，从而难以捕捉图像。

可见的颜色取决于被吸收和反射的波长。通过增强对比度，控制光源发射的波长可以帮助我们更容易地识别细节，这将在后文详细介绍。折射是指光如何穿过诸如水之类的介质，这不在本文涉及的范围内。

反射和散射

反射和散射可以同时发生在同一目标上。光源的方向和强度将决定有多少光会被反射/散射。

图1 液体的低角度反射

如图1所示，镜面平面反射导致的失真很小。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。使用此类材料时需要适当的照明位置，以免光线直接反射到相机镜头中。

图2 光线不均匀的机加工金属

镜面多面反射在不平整的反射表面上是一种挑战。目标的粗糙度导致光线被部分散射，但在足够高的强度下，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中很常见。

最后，无定形表面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、面粉或糖粉等细粉以及陶瓷通常用于照亮其他物体。通过将集中的光指向材料表面，漫反射可以均匀地照亮拍摄对象。

图3 无定型糖霜

明场和暗场照明

明场和暗场照明是两种不同的前向照明方法。这些方法可以根据照明的角度来解释。明场照明的定义是光源位于相机视野（FoV）的反射锥内。图4中的蓝色圆锥确定了相机的FoV。位于目标前面的光被反射回相机，而FoV则由内侧和外侧的反射角看到。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。

图4 明场和暗场照明

入射角在“W”边界之外的反射光称为暗场照明。在图4中，可以看到光与目标的角度要小得多，由于大部分光被反射到远离相机镜头的地方，形成了高对比度。为了更好地观察缺陷或表面变化，通常首选暗场照明，而明场照明能够提供均匀的光线分布。

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。很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

照明类型

最近的LED照明创新一直是照明行业的颠覆性影响因素，使新的配置和外形尺寸成为可能。本节将介绍一小部分照明解决方案，让大家对可用技术有一个大致的概念。照明配置应在大规模部署前用实际设备进行测试，以确保适当的系统可靠性。在可能的情况下，应减少或移除该区域的所有外部光源，只允许选择的光源与成像系统互动。

平面光源

平面光源是大多数人认为的一般照明。平面光源以相对均匀的光线分布照亮一个区域，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

照亮镜面（高反射）表面必须使用环形光源，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，并减少了阴影的出现。