机器视觉硬件知识点整理（二）：如何选择合适的光源

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前言

在上一章节中，我们详细剖析了多种光源类型及其在多样化应用场景中的具体应用，这些光源在照明技术、显示技术以及信号指示等领域扮演着不可或缺的角色。然而，随着科技的不断进步和市场产品的日益丰富，光源选型问题变得愈发复杂。对于工程师、设计师以及终端用户而言，如何在众多光源产品中挑选出最合适的选项，已成为一个技术性与实践性并重的挑战。希望通过本文的介绍，您能掌握光源选型的要领，为您的项目或生活带来更加高效、舒适的光环境。

光源选择需要考虑下面几种问题：

一、对比度

在机器视觉系统中，照明设计扮演着至关重要的角色，其核心目标在于最大化所需观察的特征与背景中无关图像特征之间的对比度，以简化特征识别过程。对比度的优化，即确保特征与其周边环境之间在灰度级别上存在显著的差异，是实现高效视觉检测的关键。理想的照明方案应当能够确保被检测特征在视觉上显著突出，与此同时，降低或消除背景元素的干扰。通过精心设计的照明技术，我们可以增强特定特征的可见性，确保其在复杂的图像背景中清晰可辨，从而提升机器视觉系统的整体性能和可靠性。

二、亮度

在选择两种光源时，普遍认为选择亮度更高的光源是更优的选择。这是因为较低的光源亮度可能会导致以下几种不良后果：
首先，相机的信噪比可能会不足。由于光源亮度不足，图像的对比度会受到影响，导致图像细节不够清晰。这种情况下，图像上的噪声水平可能会提高，从而降低图像质量，影响后续图像处理的准确性和可靠性。
其次，如果光源亮度不足，为了补偿亮度的缺失，可能需要增加相机的光圈大小。这样做虽然可以提高图像的亮度，但同时会减少图像的景深，使得只有部分区域能够在焦点范围内保持清晰，而其他区域则会出现模糊，这对于需要大景深的应用场景是不利的。
最后，当光源亮度不足时，环境中的自然光和其他随机光源对视觉系统的影响将达到最大。这种外部光线干扰可能会导致图像亮度的波动，增加识别错误的风险，尤其是在光照条件变化的环境中，这种影响尤为显著。
因此，选择足够亮度的光源对于确保机器视觉系统的稳定性和准确性至关重要。通过使用高亮度光源，可以有效地提高图像质量，降低噪声干扰，保持合适的景深，并减少环境光线对系统性能的影响。

三、鲁棒性

评估光源性能的另一个关键方法是检验其对部件位置变化的敏感度。理想情况下，当光源在摄像头视野内移动或改变角度时，得到的图像应保持稳定，不受光源位置变化的影响。具有强烈方向性的光源可能会增加高亮区域发生镜面反射的概率，这会对后续的特征提取造成不利影响。因此，在多数情况下，优质的光源应能在实际应用中复现实验室条件下的效果。
一个出色的光源应能显著突出需要检测的特征，不仅确保摄像头能够捕捉到部件，而且要产生最高的对比度和足够的亮度，同时对部件的位置变化保持不敏感。正确选择光源后，后续的机器视觉系统搭建和调试工作将更为简便。
在机器视觉应用中，我们主要关注的是反射光（除非使用透射光，如背光）。物体表面的几何形状、光泽度和颜色共同决定了光线如何在其表面反射。因此，机器视觉应用中光源控制的精髓在于如何精确操控这些反射光。掌握了光源反射的控制技巧，也就掌握了图像质量的关键。因此，在机器视觉系统中，当光源照射到特定物体表面时，理解并控制光源及其反射效果是至关重要的。通过精心设计光源配置，可以确保获得高质量的图像，从而提高视觉系统的准确性和可靠性。

四、物体表面的性质

当光源照射到不同的物体表面时，其反射行为是具有一定的可预测性的。光源照射到物体上后，可能会发生吸收或反射两种情况。具体表现为：

• 光线可能被物体表面完全吸收，例如在黑色金属等材料上，这些表面通常难以被照亮。
• 光线可能被部分吸收这会导致颜色的变化和亮度的不同，这些变化取决于物体表面的材质和颜色。

未被吸收的光线则会从物体表面反射出来。根据反射定律，入射光的角度等于反射光的角度，这一科学原理为机器视觉中光源的控制提供了便利。因为理想的光照效果可以通过精确控制光源的位置和方向来实现。

在机器视觉系统中，利用这一原理可以有效地设计光源方案，以确保：

• 光线以合适的角度照射到物体上，以最大限度地减少不必要的反射和眩光。
• 光线能够有效地照亮目标特征，增强特征与背景之间的对比度。
• 光线的反射路径可以被预测和控制，从而优化图像采集的质量。

通过理解光源与物体表面相互作用的基本原理，并在此基础上精心设计光源配置，可以显著提高机器视觉系统的性能，确保获取的图像信息准确、可靠，从而满足各种视觉检测和识别任务的需求。

五、控制反射

如前文所述，如果能够控制反射光，那么图像的质量也就得到了控制。这一点的重要性无论怎么强调都不为过。在机器视觉应用中，光源设计的核心原则就是精确控制哪些光线会被反射到镜头中，以及这些反射光线的强度。

机器视觉中的光源设计本质上是对反射光线的深入研究。在确定视觉应用所需的光源时，首先需要自我提问以下问题：我该如何使物体清晰地显现？我该如何利用光源，确保必要的光线反射到镜头中，以准确捕捉物体的外观特征？”

影响反射效果的因素众多，以下是一些关键点：

• 光源的位置：光源相对于物体的位置会直接影响光线的入射角度，从而影响反射光的
• 方向和强度。正确的光源位置可以减少或消除不必要的反光和阴影，提高图像质量。
• 物体表面的纹理：物体表面的粗糙度或纹理会影响光线的散射和反射。光滑表面倾向于产生镜面反射，而粗糙表面则可能导致漫反射。
• 物体表面的几何形状：物体的形状决定了光线如何在其表面流动和反射。凸起和凹陷的部分可能会产生不同的光照效果，需要特别考虑。
• 光源的均匀性：光源的均匀性对于获得一致的图像质量至关重要。非均匀的光源可能会导致图像中出现亮暗不一的区域，影响视觉系统的判断。

通过对这些因素的综合考虑和精确控制，可以设计出适合特定机器视觉应用的光源方案，从而确保系统在检测、识别和分类物体时能够达到最高的准确性和效率。

六、光源的位置

由于光线按照入射角等于反射角的规律反射，因此光源的位置对于获取高对比度图像至关重要。光源的布置目标是为了确保感兴趣的特征与其周围背景对光源的反射存在明显差异，从而在图像中清晰地突出这些特征。
为了达到这一目标，以下是一些关于光源位置决策的考虑因素：

• 入射角度：光源的入射角度需要根据物体表面的几何形状和纹理来调整。理想的角度可以最大化感兴趣特征与背景之间的对比度。
• 反射路径：预测光源如何在物体表面反射，可以帮助确定光源的最佳位置。这包括考虑物体表面的凹凸不平、边缘和角落等如何影响光线的反射。
• 特征突出：光源应放置在能够突出显示感兴趣特征的位置，同时尽量减少对背景的光照，从而增加特征与背景的对比度。
• 减少阴影：适当的光源位置可以减少或消除由于物体形状造成的阴影，这些阴影可能会掩盖重要的特征或造成误识别。
• 控制反光：对于光滑或反光的表面，光源的位置应避免直接导致强烈的镜面反光，这可能会淹没图像中的细节。

通过以下步骤可以决定光源的位置：

• 分析物体表面：首先分析物体表面的特性，包括材质、颜色、纹理和形状。
• 模拟光照效果：使用软件模拟或实际测试不同的光源位置，观察光照效果对特征显示的影响。
• 优化光源配置：根据模拟或测试结果，调整光源的位置和方向，以达到最佳的光照效果。

通过这些方法，可以有效地决定光源的位置，从而在机器视觉系统中获得高质量、高对比度的图像，确保感兴趣的特征能够被准确、清晰地捕捉。

七、光源使用技术

光源技术的核心在于精心设计光源的几何形状和位置，以创造具有高对比度的图像。通过这一技术，我们可以使机器视觉分析中所需的特征区域在图像中更加显著。在选择光源技术时，必须考虑物体如何被照明以及光源如何反射和散射，以确保最佳的光照效果。
以下是六种不同的照明技术：

通用照明：

定义：通用照明通常采用环状或点状光源，为物体提供均匀的照明。
应用：环灯是一种常用的通用照明方式，易于安装在镜头上，适用于需要对物体进行全方位观察的应用场景。

背光照明：

定义：背光照明将光源放置在物体背面，相对于摄像头。
特点：这种照明方式分析的是入射光而非反射光，可以产生强烈的对比度。
应用：适用于测量物体尺寸，如硬币直径，但可能无法区分物体的正反面。

同轴照明：

定义：同轴照明是指光源与摄像头轴向一致，照射到物体表面的光。
技术：使用半反射镜面将光源反射到摄像头透镜轴方向。
应用：适用于均匀照明扁平物体或有镜面特征的表面，有助于突出表面角度变化。

连续漫反射照明：

定义：使用半球形均匀照明，减少阴影和镜面反射。
应用：适用于反射性物体表面或有复杂角度的表面，如完全组装的电路板。

暗域照明：

定义：相对于物体表面提供低角度照明。
区分：如果相机视野内能看见光源，则为亮域照明；反之，则为暗域照明。
应用：适用于突出表面突起部分或纹理变化的照明。

结构光：

定义：通常投射特定形状的光波（如线条、点阵或编码光图案）到物体表面，并通过分析光波在物体表面的反射情况来重建物体的三维形状。
应用：用于测量相机到光源的距离，或在三维扫描中用于捕捉物体形状。

多轴照明：

定义：结合多种照明技术，以在不同的特征上实现不同的对比度。
应用：适用于需要在不同区域展现不同对比度的复杂场景。

通过深入了解每种照明技术的特点和应用场景，可以更准确地选择合适的光源，从而优化机器视觉系统的性能。

八、光源性质

光源的选择应基于其照明形状的需求，确保具有足够的均匀度和稳定性。在机器视觉系统中，光源的选择应考虑以下特性：

光谱特征：

影响：光源的颜色和物体表面的颜色共同决定了反射到摄像头的光能大小和波长。
考虑因素：对于分析多颜色特征的情况，色温是一个重要的考虑因素。例如，卤素灯通常发出黄色光，而氙灯则倾向于蓝色。

效率：

定义：光源的效率是指其散发的光能与其消耗的能量之比。
影响：高效光源能够在较低的能量消耗下提供更多的光能，例如荧光灯。相比之下，钨灯虽然效率较低，但产生的热量较多，导致能量消耗较大。

寿命特性：

定义：光源的寿命是指其可以连续工作的时间。
影响：LED光源因其长寿命而受到青睐，能够连续工作数千小时，而传统光源的寿命通常较短，需要定期更换。

费用：

定义：光源的费用包括购买成本和维护成本。
考虑因素：如果光源昂贵且需要频繁更换，这可能会增加机器视觉系统的后期运营成本。此外，光源的易获得性也是一个重要因素，以确保在需要更换时能够及时获得。

综上所述，选择光源时应综合考虑光谱特征、效率、寿命特性和成本等因素，以确保光源能够满足机器视觉应用的需求，并保持系统的长期稳定运行。通过细致的分析和比较，可以选出最适合特定应用的光源，从而优化整个视觉系统的性能和成本效益。