机器视觉中的光源选择

光源是机器视觉系统中重要的组件之一，一个合适的光源是机器视觉系统正常运行的必备条件。因此，机器视觉系统光源的选择是非常重要的。使用光源的目的是将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像。光源是机器视觉获取图像的基础，通过对光源的改进与设计可以高效的提取出所需目标信息，极大地提高图像处理和识别的效率，提高系统测量精度和可靠性；反之，光源的错误使用则会造成图像处理复杂度提高，系统效率低下。

一般的机器视觉检测系统包括照明系统、图像传感器、图像采集卡以及图像处理系统。近些年随着高分辨率、高集成度图像传感器产业的成熟，低价格获取高质量标准化的图像传感器成为容易之事，加上计算机科学技术，信息处理设备的微型化、便携化，通过直接的“拍照”快速获取信息的方式正逐渐深入到各行各业，尤其是批量作业、危险工作环境。

机器视觉中评价光源质量的指标有光通量、照度、亮度、色温、显色性、寿命等。其中，照度、亮度都是衡量光源强度的指标，是两个既关联又不同的物理量。亮度：指的是人在看光源时，眼睛感觉到的光亮度，更侧重的是人的感受程度。我们常说一个地方很亮而不会说很“照”，就是人的感受，指的就是这个地方的物品被照射后，反射到我们眼中的光线相对多。指定方向上光源光通量的多少是决定性因素，指定方向上光源的光通量多，亮度就高。照度：指的是光源照射到样品上，单位被照射面积上的光通量，指的是有多少能量发射到被照的物品表面。单位被照射面积上的光通量多，照度就高。两者的关联是影响光源亮度及照度高低的物理量是共同的，即：光通量。

不同点是：影响光源亮度的光通量，是光源表面指定方向辐射出来的光通量的多少；影响光源照度的光通量，是光源辐射到样品上的光通量的多少。两者表述不同，受外界影响因素也不同。同一只光源，指定方向上光源表面辐射出来的光通量、与光源辐射到样品上的光通量是不相等的。

特别说明：光源的亮度视觉感，有时受色温影响较大。在光通量相同的光源中，色温高的光源会产生亮度高的错误的视觉感。这种“高亮度”光源，光效并不一定比其它光源高，只是一种刺眼的“虚假亮”。亮度指进入人眼中被感受到的光线强度，照度是指被照射面得到的光的数量，从机器视觉应用的照明方式来分析，背光源照明方式是相机接收到的背光源直接射入镜头的光线，如下图

此时的相机相当于人眼，接收到的是直接入射到相机的光强，与亮度表达的概念相符，因此经理论分析亮度是评价此种光源的最佳指标。而其他照明光源例如环光，相机接收到的是照射到被测样品后的反射光。相机接收到的是照射到样品上反射的光，与照度表达的概念相符，因此照度是评价除背光外其他光源是最佳的指标。

机器视觉有三大技术即采像技术，处理技术，运动控制技术，而采像技术离不开光源，光源的选择及其性能直接影响系统的成败，影响处理精度和速度。光源一般分为可见光源和不可见光源。可见光源主要分为三种，高频荧光灯、卤素灯和LED光源；不可见光源主要为近红外光、紫外光、X射线等。

LED光源是目前运用最多的机器视觉光源，它具有效率高、寿命长、防潮防震、节能环保等特点，相对高频荧光灯和卤素灯，具有更高的性价比。不可见光源主要用来应对一些特定的需求，如管道焊接工艺的检测，由不可见光的可穿透性，可达到检测点。

光源选择关键性能指标

1、亮度：在两种光源中选择时，最佳的选择是更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，工业相机的信噪比不够，由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。第二，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。第三，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。

2、光源均匀性：不均匀的光会造成不均匀的反射。均匀关系到三个方面。第一，对于视野，在摄像头视野范围部分应该是均匀的。简单地说，图像中暗的区域就是缺少反射光，而亮点就是此处反射太强了。第二，不均匀的光会使视野范围内部分区域的光比其他区域多。从而造成物体表面反射不均匀（假设物体表面的对光的反射是相同的）。第三，均匀的光源会补偿物体表面的角度变化，即使物体表面的几何形状不同，光源在各部分的反射也是均匀的。

3、光谱特征：光源的颜色及测量物体表面的颜色决定了反射到摄像头的光能的大小及波长。白光或某种特殊的光谱在提取其他颜色的特征信息时可能是比较重要的因素。当分析多颜色特征的时候，选择光源的时候，色温是一个比较重要的因素。

4、寿命特性：光源一般需要持续使用。为使图像处理保持一致的精确，视觉系统必须保证长时间获得稳定一致的图像。

5、对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。

几种常见光源

一、白炽灯

1、工作原理：白炽灯又叫做钨丝灯。电流通过灯丝时产生大量热量，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上并处于白炽状态，故称之为白炽灯。

2、优点：白炽灯最接近于太阳光，显色性很好，显色指数99～100；价格便宜。

3、缺点：白炽灯所消耗的电能只有约10%可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了，而且使用寿命通常不会超过1000小时。两个词：不节能，寿命短。

小结：白炽灯虽然价格便宜显色好，但是耗电量大寿命短，电能大部分用于发热，性能远低于新一代的新型光源，已被要求渐渐退出市场。

二、卤素灯（俗称灯杯、杯灯、射灯）

大部分家庭常用的射灯，就是用的这种灯杯。

1、工作原理：白炽灯的一个变种，原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体，在高温下，升华的钨丝与卤素进行化学作用，冷却后的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂。因此卤素灯泡比白炽灯更长寿。

2、优点：也比较接近于日光的连续光谱，显色性很好，显色指数95以上；价格也比较便宜。体积小，控光性好，所以适合投射性的照明场合。

3、缺点：不改白炽灯本质，还是发热发光，大部分以热量方式散失掉，光转化效率不高。寿命提高到2000-4000小时，还不错。

三、日光灯（俗称灯棒）

1、工作原理：日光灯又叫做荧光灯。日光灯灯管內充有氩气和少量的汞，灯管内壁涂有荧光粉。日光灯在气体放电的过程释放出紫外光，荧光粉吸收紫外光后释放出可见光。

2、优点：效率的革命，荧光灯的发光效率比白炽灯高。

3、缺点：显色相对较差，尤其早期的非三基色粉荧光灯。荧光灯含有汞等有害元素，具有一定的危害环境。另外紫外辐射和频闪现象，也会对人的眼睛造成伤害。

四、汞灯

1.工作原理：利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的电光源。汞灯可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三种。

2.优点：结构简单，低成本，低维修费用。可直接取代普通白炽灯，具有光效长，寿命长，省电经济的特点。

3.缺点：启动时间长，二次启动要等灯体冷了才能再亮。

五、LED灯

1、工作原理：LED 即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

2、优点：发光效率比白炽灯和荧光灯都高，理论上寿命很长，发光可达10万小时，实际产品基本上30000-50000小时不是问题，对于家用来说够够的了；无紫外线和红外线辐射；不含铅、汞等污染元素。

3、缺点：市场上的 LED 灯具质量良莠不齐，这几年价格杀下来已经不是问题，但是低价产品的品质却实在堪忧。

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