利用照明優(yōu)化相機(jī)視覺性能

01

簡 介

光的工作原理可能是一個(gè)復(fù)雜的主題。成像中主要的經(jīng)驗(yàn)法則之一永遠(yuǎn)不嫌有太多的光。然而，常見的問題是要獲取足夠的光線來對(duì)拍攝對(duì)象進(jìn)行清晰地成像?？梢酝ㄟ^減少特定成像對(duì)象所需的光量，以高效、審慎的方式利用光源來解決這個(gè)問題，并有助于突出細(xì)節(jié)或缺陷。

本文將介紹一般的照明原理，探索不同的光源，以及如何在實(shí)際應(yīng)用中充分利用燈光設(shè)備。例如，可以通過使用濾光片來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺的近紅外檢測(cè)和對(duì)比度增強(qiáng)。然而，使用濾光片會(huì)減少到達(dá)傳感器的光量，因此需要靈敏度更高的相機(jī)。當(dāng)使用濾光片透射的特定光時(shí)，通過減少其他光可以獲得更清晰的圖像。

02

照 明 原 理

當(dāng)光與目標(biāo)相互作用時(shí)，有四種可能的結(jié)果：被物體反射、吸收、散射或折射。然而，這些結(jié)果并不是相互排斥的，并且這些單獨(dú)的結(jié)果可能會(huì)重疊，尤其是在不同的波長處。

大多數(shù)照明挑戰(zhàn)都涉及到減少散射光和反射光。散射光通常是視覺系統(tǒng)需要的，因?yàn)樯⑸涔鈴奈矬w表面產(chǎn)生均勻的光強(qiáng)，而反射光會(huì)產(chǎn)生刺眼的“熱點(diǎn)”，從而難以捕捉圖像。

可見的顏色取決于被吸收和反射的波長。通過增強(qiáng)對(duì)比度，控制光源發(fā)射的波長可以幫助我們更容易地識(shí)別細(xì)節(jié)，這將在后文詳細(xì)介紹。折射是指光如何穿過諸如水之類的介質(zhì)，這不在本文涉及的范圍內(nèi)。

反射和散射

反射和散射可以同時(shí)發(fā)生在同一目標(biāo)上。光源的方向和強(qiáng)度將決定有多少光會(huì)被反射/散射。

鏡面平面反射導(dǎo)致的失真很小。鏡子、高度拋光的金屬表面和液體等材料會(huì)在低角度產(chǎn)生鏡面平面反射。使用此類材料時(shí)需要適當(dāng)?shù)恼彰魑恢茫悦夤饩€直接反射到相機(jī)鏡頭中。

鏡面多面反射在不平整的反射表面上是一種挑戰(zhàn)。目標(biāo)的粗糙度導(dǎo)致光線被部分散射，但在足夠高的強(qiáng)度下，反射光會(huì)導(dǎo)致眩光并降低目標(biāo)表面的對(duì)比度。這類反射在機(jī)加工金屬、新鮮焊料和軋制金屬中很常見。

最后，無定形表面將入射光完全散射到各個(gè)方向，產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象。具有這種光散射能力的材料，例如白紙、面粉或糖粉等細(xì)粉以及陶瓷通常用于照亮其他物體。通過將集中的光指向材料表面，漫反射可以均勻地照亮拍攝對(duì)象。

明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明

明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明是兩種不同的前向照明方法。這些方法可以根據(jù)照明的角度來解釋。明場(chǎng)照明的定義是光源位于相機(jī)視野（FoV）的反射錐內(nèi)。圖4中的藍(lán)色圓錐確定了相機(jī)的FoV。位于目標(biāo)前面的光被反射回相機(jī)，而FoV則由內(nèi)側(cè)和外側(cè)的反射角看到。在二維模型中，這也稱為“W”照明，因?yàn)閮?nèi)角和外角創(chuàng)造了一個(gè)“W”形的邊界。

圖4 明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明

入射角在“W”邊界之外的反射光稱為暗場(chǎng)照明。在圖4中，可以看到光與目標(biāo)的角度要小得多，由于大部分光被反射到遠(yuǎn)離相機(jī)鏡頭的地方，形成了高對(duì)比度。為了更好地觀察缺陷或表面變化，通常首選暗場(chǎng)照明，而明場(chǎng)照明能夠提供均勻的光線分布。

背光照明

通常使用面對(duì)相機(jī)的均勻光源從背后照亮目標(biāo)。使用背光照明時(shí)，固體物體將顯示為黑色，背景顯示為白色，從而可以清晰地檢查目標(biāo)的邊緣。很適合使用背光照明的應(yīng)用包括物體輪廓驗(yàn)證，以及機(jī)加工部件的金屬刮痕檢測(cè)。由于反射被引向光源，均勻的光照有利于半透明物體的成像。捕捉到的目標(biāo)圖像是透射光通過目標(biāo)本身的結(jié)果，使其成為反射和半透明塑料成像的絕佳選擇。

03

照 明 類 型

最近的LED照明創(chuàng)新一直是照明行業(yè)的顛覆性影響因素，使新的配置和外形尺寸成為可能。本節(jié)將介紹一小部分照明解決方案，讓大家對(duì)可用技術(shù)有一個(gè)大致的概念。照明配置應(yīng)在大規(guī)模部署前用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以確保適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)可靠性。在可能的情況下，應(yīng)減少或移除該區(qū)域的所有外部光源，只允許選擇的光源與成像系統(tǒng)互動(dòng)。

平面光源

平面光源是大多數(shù)人認(rèn)為的一般照明。平面光源以相對(duì)均勻的光線分布照亮一個(gè)區(qū)域，前提是光源離拍攝對(duì)象足夠遠(yuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生“熱點(diǎn)”。通過精確擺放，一到兩個(gè)平面光源通常足以用于一般成像目的。

環(huán)形光源

照亮鏡面（高反射）表面必須使用環(huán)形光源，因?yàn)榄h(huán)形光源有助于消除反射并捕捉無陰影的圖像。直接將環(huán)形光源放置在相機(jī)前面，鏡頭通過環(huán)形中心的開口捕捉圖像。這樣，光線從鏡頭周圍的各個(gè)方向照射到目標(biāo)上，并減少了陰影的出現(xiàn)。

圓頂光源

圓頂光源是照亮高鏡面和紋理表面，如球軸承、金屬圓柱體和機(jī)加工金屬的理想選擇。相機(jī)鏡頭面對(duì)圓頂?shù)拈_口，在那里可以看到要拍攝的對(duì)象。從光源發(fā)出的光從內(nèi)表面反射到目標(biāo)上，然后通過圓頂中的開口反射回相機(jī)，如圖6所示。因此，圓頂燈的內(nèi)部必須是能夠散射光且?guī)缀鯖]有鏡面反射的材料。

圖6 圓頂光源覆蓋的物體從內(nèi)部被照亮

并從頂部開口進(jìn)行拍攝

結(jié)構(gòu)光源

結(jié)構(gòu)光源通常用于三維物體映射。結(jié)構(gòu)光源通過一條或多條激光線照亮物體，如圖7所示。通過觀察光的圖案和激光線的偏差，可以確定物體的高度和輪廓。

彩色光源

通過添加顏色或更準(zhǔn)確地說，使用特定的波長，以及任何前面提到的光源類型（除了結(jié)構(gòu)光）可以幫助增強(qiáng)細(xì)節(jié)或提高對(duì)比度，這取決于具體應(yīng)用。使用可見光譜中較窄的部分將有選擇地照亮場(chǎng)景中的某些物體，而不會(huì)在同一場(chǎng)景中不太重要的區(qū)域產(chǎn)生反射。

04

照 明 實(shí) 例

在下面的例子中，可利用光的特定屬性來增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)。在這些例子中，傳統(tǒng)的白光無法產(chǎn)生相同的結(jié)果。

利用近紅外光增強(qiáng)視覺

紅外照明可用于多種成像解決方案，以增強(qiáng)人眼看不到的細(xì)節(jié)。由于大多數(shù)成像系統(tǒng)在近紅外波長（750-1200nm）處有一定的靈敏度，因此它們能夠看到我們?nèi)庋蹮o法感知的視覺信息。下面兩個(gè)場(chǎng)景將探討如何使用紅外光來可視化實(shí)際應(yīng)用。

利用近紅外光透視不透明液體

許多液體可以自由透過波長較長的紅外光，這使得使用合適的設(shè)備可以透過液體獲得一定的可見度。使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相機(jī)和紅外光源，可以透過紅酒和可樂等不透明液體看到被遮擋的信息。

圖8的例子中有一個(gè)玻璃容器，背景中印有文字。在第一張圖像中，容器是空的，可以通過玻璃讀取文字，但會(huì)有些失真。在第二張圖像中，容器中裝滿了紅酒。由于玻璃容器的內(nèi)部尺寸為4x4英寸，因此相機(jī)在白光下無法看到玻璃后面的文字。在第三張圖像中，利用近紅外光，相機(jī)可以透過四英寸的紅酒看到玻璃后面的文字。

圖8 利用近紅外光照射半透明紅酒的實(shí)驗(yàn)

在第二個(gè)示例（圖9）中，玻璃容器中裝滿了可樂，并在玻璃杯內(nèi)放置了一個(gè)彈簧和金屬墊圈，以模擬檢測(cè)應(yīng)用。通常使用近紅外光確保在將不透明液體交付給客戶之前，容器內(nèi)沒有異物。這個(gè)簡單的設(shè)置展示了該系統(tǒng)能夠很容易地在合適的玻璃容器內(nèi)看到問題。

圖9 利用近紅外光檢測(cè)可樂中的異物

利用近紅外光增強(qiáng)PCB埋線成像

當(dāng)檢查印刷電路板（PCB）上被阻焊層和/或絲印字母覆蓋的區(qū)域時(shí)，使用近紅外光檢查的效率要高得多，因?yàn)檫@個(gè)波長的光很容易穿透薄涂層，但會(huì)從埋設(shè)的銅走線上反射。

如圖10所示，上面的圖像是可見光下PCB的一部分，下面的圖像是近紅外光下PCB的一部分。在上面的圖像中，從左側(cè)電鍍焊盤到頂部焊盤的銅走線被阻焊層和絲印的“TP 10”字樣所遮擋。在使用近紅外光的下圖中，絲印字樣幾乎看不見。銅在整個(gè)走線長度和裸焊盤處具有一致的強(qiáng)度。這說明阻焊層在近紅外光下對(duì)埋設(shè)的銅走線無明顯影響。

圖10 利用近紅外光檢查PCB的埋線

利用彩色光增強(qiáng)對(duì)比度

使用彩色燈光可以提高計(jì)算機(jī)視覺檢查的對(duì)比度。由于大多數(shù)視覺系統(tǒng)使用黑白相機(jī)，因此可以使用彩色燈光來“減弱”背景顏色，并強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)試圖捕捉的細(xì)節(jié)。

圖11 藍(lán)色背景上兩種不同的日期戳（彩色）

可以從以下示例中的兩個(gè)日期戳看出這一點(diǎn)。圖11顯示了兩種日期戳的彩色圖像。左邊的日期戳使用的紅色墨水，右邊的日期戳使用的黑色墨水，均在藍(lán)色背景上。圖12中的圖像顯示了使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相機(jī)拍攝的相同標(biāo)簽。該圖還說明了印字（圖12下部圖表中的下降）和圖中黃線上的背景（峰值）之間的像素值差異。

圖12 白光下日期戳的對(duì)比分析

在圖12中，當(dāng)使用白光時(shí)，第一個(gè)字母J的灰度像素值下降約15。藍(lán)光可以產(chǎn)生更亮的背景并有助于提高與印字的對(duì)比度。在圖13中，通過代表同一字母的40個(gè)點(diǎn)的下降可以看出這一點(diǎn)。這是因?yàn)橛∽值募t色墨水吸收了所有的藍(lán)光，而背景反射了大量的藍(lán)光。在白光實(shí)驗(yàn)中，紅色墨水反射白光的紅色成分，而背景反射藍(lán)色成分。這大大降低了對(duì)比度，這就是為什么用特定波長的燈光照亮目標(biāo)對(duì)機(jī)器視覺應(yīng)用非常有利。

圖13 藍(lán)光下日期戳的對(duì)比分析

偏振光和偏振濾光片

對(duì)光源進(jìn)行偏振，并使用偏振濾光片，有助于缺陷檢查，如以下圖14和15所示。在本示例中，偏振濾光片放置在背光光源和相機(jī)鏡頭上。然后將塑料尺放在偏振光源上以觀察缺陷。旋轉(zhuǎn)相機(jī)上的偏振濾光片，使之與光源上的偏光濾光片對(duì)齊，透過標(biāo)尺的光線顯示塑料上有劃痕。

圖14 塑料尺缺陷檢測(cè)（非偏振白色背光）

將濾光片旋轉(zhuǎn)90°，阻止偏振光進(jìn)入相機(jī)鏡頭。然而，塑料上的缺陷往往會(huì)改變偏振光的方向。這一原理使相機(jī)可以很容易地看到缺陷，因?yàn)樗鼈儽坏诙駷V光片透射，如圖15所示。當(dāng)劃痕進(jìn)一步改變光線的偏振時(shí)，缺陷就顯示為白色的痕跡。

圖15 塑料尺缺陷檢測(cè)（偏振白色背光）

05

結(jié) 論

一幅圖像可以通過使用的光源類型以及光源照射拍攝對(duì)象的方式而發(fā)生巨大的變化。使用特定材料時(shí)，要考慮該材料如何反射光，以及光與物體接觸的角度以適當(dāng)突出細(xì)節(jié)。無論是使用偏振光檢查固體表面還是使用近紅外光透過液體檢查表面，關(guān)鍵在于使用合適的照明。

審核編輯：劉清