機(jī)器視覺(jué)中的光源照明設(shè)計(jì)

摘要 介紹了光源照明技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中的重要性。通過(guò)對(duì)光源照明設(shè)計(jì)中光源種類和基礎(chǔ)照明等諸多技術(shù)的理論分析，結(jié)合光源照明技術(shù)在工程案例中的應(yīng)用技巧，探究了設(shè)計(jì)光源照明系統(tǒng)時(shí)要注意的問(wèn)題和原則。
關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué)；光源照明；光源種類；照明技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是用機(jī)器代替人眼做各種測(cè)量和判斷。一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括圖像采集、圖像處理、運(yùn)動(dòng)控制部分等。圖像采集是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它將被測(cè)物的可視化圖像和特征轉(zhuǎn)化為能被計(jì)算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)。圖像采集部分由光源(S)、光學(xué)照明系統(tǒng)(O)、被測(cè)物(P)、鏡頭(L)、攝像機(jī)(C)構(gòu)成，采集過(guò)程如圖1所示?？擅枋鰹?，在光源提供照明的條件下，被測(cè)物的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭在攝像機(jī)傳感器上得到清晰的圖像，傳感器將圖像轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字視頻信號(hào)，最后通過(guò)圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。

因此，進(jìn)行合理的光源照明設(shè)計(jì)，使被測(cè)物中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大幅降低圖像處理算法分割和識(shí)別的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的定位、測(cè)量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性得到提高。反之，如果光源照明設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。光源照明設(shè)計(jì)是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。光源照明設(shè)計(jì)要考慮多方面問(wèn)題，主要是光源的種類和特性、基礎(chǔ)照明技術(shù)、目標(biāo)及其背景的光反射和傳送特性。

1 光源照明技術(shù)
1．1 光源種類和特性
理想的光源應(yīng)該是明亮、均勻、穩(wěn)定的。光源種類較多，根據(jù)發(fā)光器件本身可以分為鹵素?zé)簟晒鉄?、LED燈、氙燈等，表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性。

目前的發(fā)展趨勢(shì)是LED(Light Emitting Diode)發(fā)光二極管光源的使用。LED光源的最大優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、易于組成不同形狀的光源等。光源的特性在光源照明設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，主要涉及5個(gè)因素：(1)方向?？刂普丈涞轿矬w上的入射光方向是光源照明設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，它取決于光源類型和光源相對(duì)于物體放置的位置。一般來(lái)說(shuō)，有直射光和漫射光兩種基本方式。(2)光譜。光是由單一或多種成分的光譜組成，攝像頭傳感器獲取的光顏色取決于光源所產(chǎn)生的光類型，以及覆蓋在光源或攝像機(jī)鏡頭上的光學(xué)濾色鏡。(3)偏振性。在鏡面式的反射光中保留了這種偏振性，利用這種特性，使鏡面眩光掠過(guò)攝像機(jī)鏡頭，來(lái)消除鏡面反射光的影響。(4)強(qiáng)度。光照強(qiáng)度會(huì)影響攝像頭的曝光，光線不足則意味著低對(duì)比度，就要加大放大倍數(shù)，但可能同時(shí)將噪音放大，也可能使鏡頭的光圈加大，但景深減小。反之，強(qiáng)度過(guò)大會(huì)浪費(fèi)能量，并帶來(lái)散熱問(wèn)題。(5)均勻性。在光源照明中，所有光源隨著距離的增大和照射角的偏離，其照射強(qiáng)度將減小。尤其在大面積物體照明時(shí)，均勻性是必須要考慮的問(wèn)題。
1．2 基礎(chǔ)照明技術(shù)
機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)計(jì)的任務(wù)就是使被測(cè)物的特征與背景圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征區(qū)分。通常涉及以下照明技術(shù)：(1)明／暗場(chǎng)照明。暗場(chǎng)照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明，使用攝像機(jī)拍攝物體，如果鏡頭處在反射光線的視野內(nèi)，屬于明場(chǎng)照明，否則是暗場(chǎng)照明。因此是明場(chǎng)照明還是暗場(chǎng)照明與攝像機(jī)和光源的相對(duì)位置有關(guān)。(2)背光照明。從物體背面射過(guò)來(lái)均勻視場(chǎng)的光，背光照明產(chǎn)生了較強(qiáng)的對(duì)比度，常用于測(cè)量物體的尺寸和定物體的方向，但物體表面特征可能會(huì)丟失。(3)漫射照明。常應(yīng)用于反射性不規(guī)律或有復(fù)雜角度的物體表面，以減小陰影及鏡面反射。(4)同軸照明。對(duì)檢測(cè)強(qiáng)反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環(huán)境產(chǎn)生陰影影響檢測(cè)或面積不明顯的物體。(5)結(jié)構(gòu)光照明。典型的結(jié)構(gòu)光有激光和光纖，結(jié)構(gòu)光可以用于測(cè)量相機(jī)到光源的距離。
1．3 被測(cè)物及其背景的光反射和傳送特性
利用被測(cè)物及其背景對(duì)光的反射和傳送特性的差異進(jìn)行光源照明設(shè)計(jì)，能夠強(qiáng)化被測(cè)物和背景的對(duì)比度，即提高圖像效果。主要考慮兩個(gè)特性：(1)反射特性。物體反射光線有兩種不同的反射特性：直反射和漫反射。直反射：光線的反射角等于入射角，直反射有時(shí)用途很大，有時(shí)又可能產(chǎn)生極強(qiáng)的眩光。在大多數(shù)情況應(yīng)避免鏡面反射。漫反射：照射到物體上的光從各個(gè)方向漫散出去。在大多數(shù)實(shí)際情況下，漫散光在某個(gè)角度范圍內(nèi)形成，并取決于入射光的角度。兩種反射的示意效果如圖2所示。(2)相減色。反射時(shí)，從光譜中去除某些波長(zhǎng)的光。如白光照射到紅色物體后，紅色光譜被反射，而其他成份則被物體吸收。

2 案例中的光源照明設(shè)計(jì)分析
以“基于機(jī)器視覺(jué)的滴灌帶質(zhì)量檢測(cè)”項(xiàng)目為背景，檢測(cè)目標(biāo)是黑色軟質(zhì)膠管上滴頭的邊界、輪廓以及滴頭中圓孔的位置，如圖4所示。圖像處理算法主要采用Canny邊緣檢測(cè)和Hough圓檢測(cè)等。
2．1 滴灌帶的光特性分析
(1)前景(滴頭)和背景(滴灌帶)均為黑色，決定最好選擇光照強(qiáng)度較大、顏色為白色的光源種類。
(2)窄直射光照射滴灌帶表面，光以反射為主，漫射為輔。分析方法：根據(jù)光學(xué)原理，用條形白光直射滴灌帶空白區(qū)域，鏡頭置在反射光的視野內(nèi)，若通過(guò)攝像機(jī)能夠觀察到明顯的“明視場(chǎng)”，則說(shuō)明膠管表面對(duì)直射光線以直反射為主，漫反射為輔。實(shí)驗(yàn)效果如圖3所示。

(3)滴頭內(nèi)外空白域與滴頭邊界光反射特性明顯不同。滴灌帶表面可以被看做兩部分：空白區(qū)域和凸起的邊界與紋路。根據(jù)光的幾何原理，采用雙側(cè)條形白光明視場(chǎng)照射滴灌帶，滴頭內(nèi)外的空白域成像效果相同，而滴頭上下邊界總有明顯暗影，實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。這是因?yàn)閺奈⒂^上，凸起的邊界與紋路實(shí)質(zhì)是不規(guī)則的曲面，當(dāng)光線以特定角度直射時(shí)，曲面反射并進(jìn)入攝像機(jī)的光線總是比平面反射進(jìn)入攝像機(jī)的光線少，由MTF=S×O×P×L×C得知，攝像機(jī)所觀察到的貼片邊界和紋絡(luò)的亮度總是比周圍空白區(qū)域的亮度小得多。工程實(shí)際中正是根據(jù)這一成像原理對(duì)滴灌帶上的滴頭進(jìn)行定位的。

(4)滴灌帶質(zhì)軟、易變形及其在生產(chǎn)線上水平運(yùn)動(dòng)等因素，使每次拍攝的滴頭圖像略有變化，會(huì)影響后續(xù)圖像處理效果。因此，實(shí)際中有必要采用有效的機(jī)械措施使滴灌帶表面盡量平整，并使用發(fā)光面積較大的光源。
2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
結(jié)合以上光源特性和被測(cè)物光特性的分析，采用如下若干可選光源，幾種實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比結(jié)果如表2所示。

2．3 圖像處理后效果
在理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，并考慮性價(jià)比，最終選用環(huán)形高亮白光、高角度(與水平方向呈75°夾角)直射式光源，照明方式為明視場(chǎng)、不加漫射板。將采集到的圖像，在VC6．0編譯環(huán)境中，采用OpenCV1．0算法庫(kù)中的Canny邊緣檢測(cè)、Hough圓檢測(cè)等算法進(jìn)行處理。結(jié)果表明，滴灌帶上的滴頭和圓孔檢測(cè)效果理想，如圖6所示。由此說(shuō)明，該系統(tǒng)中的光源照明設(shè)計(jì)是合理的。

3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，機(jī)器視覺(jué)中的光源照明設(shè)計(jì)沒(méi)有固定的模式。依據(jù)上述理論方法和原則，初步選擇合適光源種類和科學(xué)的照明方式，至于最終確定的光源照明方式，則要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，在實(shí)踐中進(jìn)一步修正改進(jìn)。