摘要 介紹了光源照明技術在機器視覺中的重要性。通過對光源照明設計中光源種類和基礎照明等諸多技術的理論分析，結合光源照明技術在工程案例中的應用技巧，探究了設計光源照明系統時要注意的問題和原則。
關鍵詞 機器視覺；光源照明；光源種類；照明技術

機器視覺是計算機科學的一個分支，是用機器代替人眼做各種測量和判斷。一個典型的機器視覺系統包括圖像采集、圖像處理、運動控制部分等。圖像采集是一個重要的環節，它將被測物的可視化圖像和特征轉化為能被計算機處理的一系列數據。圖像采集部分由光源(S)、光學照明系統(O)、被測物(P)、鏡頭(L)、攝像機(C)構成，采集過程如圖1所示。可描述為，在光源提供照明的條件下，被測物的圖像經過鏡頭在攝像機傳感器上得到清晰的圖像，傳感器將圖像轉換為模擬或數字視頻信號，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。

因此，進行合理的光源照明設計，使被測物中的目標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別的難度，同時提高系統的定位、測量精度，使系統的可靠性和綜合性得到提高。反之，如果光源照明設計不當，會導致在圖像處理算法設計和成像系統設計中事倍功半。光源照明設計是決定系統成敗的首要因素。光源照明設計要考慮多方面問題，主要是光源的種類和特性、基礎照明技術、目標及其背景的光反射和傳送特性。

1 光源照明技術
1．1 光源種類和特性
理想的光源應該是明亮、均勻、穩定的。光源種類較多，根據發光器件本身可以分為鹵素燈、熒光燈、LED燈、氙燈等，表1列出了幾種主要光源的相關特性。

目前的發展趨勢是LED(Light Emitting Diode)發光二極管光源的使用。LED光源的最大優點是發光效率高、響應速度快、體積小、功耗低、發光穩定、壽命長、易于組成不同形狀的光源等。光源的特性在光源照明設計中至關重要，主要涉及5個因素：(1)方向。控制照射到物體上的入射光方向是光源照明設計的基本參數，它取決于光源類型和光源相對于物體放置的位置。一般來說，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生的光類型，以及覆蓋在光源或攝像機鏡頭上的光學濾色鏡。(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，使鏡面眩光掠過攝像機鏡頭，來消除鏡面反射光的影響。(4)強度。光照強度會影響攝像頭的曝光，光線不足則意味著低對比度，就要加大放大倍數，但可能同時將噪音放大，也可能使鏡頭的光圈加大，但景深減小。反之，強度過大會浪費能量，并帶來散熱問題。(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，其照射強度將減小。尤其在大面積物體照明時，均勻性是必須要考慮的問題。
1．2 基礎照明技術
機器視覺照明設計的任務就是使被測物的特征與背景圖像特征之間產生最大的對比度，從而易于特征區分。通常涉及以下照明技術：(1)明／暗場照明。暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明，使用攝像機拍攝物體，如果鏡頭處在反射光線的視野內，屬于明場照明，否則是暗場照明。因此是明場照明還是暗場照明與攝像機和光源的相對位置有關。(2)背光照明。從物體背面射過來均勻視場的光，背光照明產生了較強的對比度，常用于測量物體的尺寸和定物體的方向，但物體表面特征可能會丟失。(3)漫射照明。常應用于反射性不規律或有復雜角度的物體表面，以減小陰影及鏡面反射。(4)同軸照明。對檢測強反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環境產生陰影影響檢測或面積不明顯的物體。(5)結構光照明。典型的結構光有激光和光纖，結構光可以用于測量相機到光源的距離。
1．3 被測物及其背景的光反射和傳送特性
利用被測物及其背景對光的反射和傳送特性的差異進行光源照明設計，能夠強化被測物和背景的對比度，即提高圖像效果。主要考慮兩個特性：(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，直反射有時用途很大，有時又可能產生極強的眩光。在大多數情況應避免鏡面反射。漫反射：照射到物體上的光從各個方向漫散出去。在大多數實際情況下，漫散光在某個角度范圍內形成，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，從光譜中去除某些波長的光。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計分析
以“基于機器視覺的滴灌帶質量檢測”項目為背景，檢測目標是黑色軟質膠管上滴頭的邊界、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邊緣檢測和Hough圓檢測等。
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：根據光學原理，用條形白光直射滴灌帶空白區域，鏡頭置在反射光的視野內，若通過攝像機能夠觀察到明顯的“明視場”，則說明膠管表面對直射光線以直反射為主，漫反射為輔。實驗效果如圖3所示。

(3)滴頭內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：空白區域和凸起的邊界與紋路。根據光的幾何原理，采用雙側條形白光明視場照射滴灌帶，滴頭內外的空白域成像效果相同，而滴頭上下邊界總有明顯暗影，實驗效果如圖4所示。這是因為從微觀上，凸起的邊界與紋路實質是不規則的曲面，當光線以特定角度直射時，曲面反射并進入攝像機的光線總是比平面反射進入攝像機的光線少，由MTF=S×O×P×L×C得知，攝像機所觀察到的貼片邊界和紋絡的亮度總是比周圍空白區域的亮度小得多。工程實際中正是根據這一成像原理對滴灌帶上的滴頭進行定位的。

(4)滴灌帶質軟、易變形及其在生產線上水平運動等因素，使每次拍攝的滴頭圖像略有變化，會影響后續圖像處理效果。因此，實際中有必要采用有效的機械措施使滴灌帶表面盡量平整，并使用發光面積較大的光源。
2．2 實驗結果及分析
結合以上光源特性和被測物光特性的分析，采用如下若干可選光源，幾種實驗對比效果如圖5所示，實驗分析對比結果如表2所示。

2．3 圖像處理后效果
在理論和實驗的基礎上，并考慮性價比，最終選用環形高亮白光、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、不加漫射板。將采集到的圖像，在VC6．0編譯環境中，采用OpenCV1．0算法庫中的Canny邊緣檢測、Hough圓檢測等算法進行處理。結果表明，滴灌帶上的滴頭和圓孔檢測效果理想，如圖6所示。由此說明，該系統中的光源照明設計是合理的。

3 結束語
綜上所述，機器視覺中的光源照明設計沒有固定的模式。依據上述理論方法和原則，初步選擇合適光源種類和科學的照明方式，至于最終確定的光源照明方式，則要進行反復試驗，在實踐中進一步修正改進。