白皮书｜利用照明优化相机视觉性能

光的工作原理可能是一个复杂的主题。成像中比较大的经验法则之一永远不嫌有太多的光。然而，常见的问题是要获取足够的光线来对拍摄对象进行清晰地成像。可以通过减少特定成像对象所需的光量，以高效、审慎的方式利用光源来解决这个问题，并有助于突出细节或缺陷。

本文将介绍一般的照明原理，探索不同的光源，以及如何在实际应用中充分利用灯光设备。例如，可以通过使用滤光片来实现计算机视觉的近红外检测和对比度增强。然而，使用滤光片会减少到达传感器的光量，因此需要灵敏度更高的相机。当使用滤光片透射的特定光时，通过减少其他光可以获得更清晰的图像。

照明原理

当光与目标相互作用时，有四种可能的结果：被物体反射、吸收、散射或折射。然而，这些结果并不是相互排斥的，并且这些单独的结果可能会重叠，尤其是在不同的波长处。

大多数照明挑战都涉及到减少散射光和反射光。散射光通常是视觉系统需要的，因为散射光从物体表面产生均匀的光强，而反射光会产生刺眼的“热点”，从而难以捕捉图像。

可见的颜色取决于被吸收和反射的波长。通过增强对比度，控制光源发射的波长可以帮助我们更容易地识别细节，这将在后文详细介绍。

折射是指光如何穿过诸如水之类的介质，这不在本文涉及的范围内。

反射和散射

反射和散射可以同时发生在同一目标上。光源的方向和强度将决定有多少光会被反射/散射。

图1｜液体的低角度反射

如图1所示，镜面平面反射导致的失真比较小。镜子、高度抛光的金属表面和液体等材料会在低角度产生镜面平面反射。使用此类材料时需要适当的照明位置，以免光线直接反射到相机镜头中。

图2｜光线不均匀的机加工金属

镜面多面反射在不平整的反射表面上是一种挑战。目标的粗糙度导致光线被部分散射，但在足够高的强度下，反射光会导致眩光并降低目标表面的对比度。这类反射在机加工金属、新鲜焊料和轧制金属中很常见。

无定形表面将入射光完全散射到各个方向，产生漫反射现象。具有这种光散射能力的材料，例如白纸、面粉或糖粉等细粉以及陶瓷通常用于照亮其他物体。通过将集中的光指向材料表面，漫反射可以均匀地照亮拍摄对象。

图3｜无定型糖霜

明场和暗场照明

明场和暗场照明是两种不同的前向照明方法。这些方法可以根据照明的角度来解释。

明场照明的定义是光源位于相机视野（FoV）的反射锥内。图4中的蓝色圆锥确定了相机的FoV。位于目标前面的光被反射回相机，而FoV则由内侧和外侧的反射角看到。在二维模型中，这也称为“W”照明，因为内角和外角创造了一个“W”形的边界。

图4｜明场和暗场照明

入射角在“W”边界之外的反射光称为暗场照明。在图4中，可以看到光与目标的角度要小得多，由于大部分光被反射到远离相机镜头的地方，形成了高对比度。为了更好地观察缺陷或表面变化，通常选暗场照明，而明场照明能够提供均匀的光线分布。

背光照明

通常使用面对相机的均匀光源从背后照亮目标。使用背光照明时，固体物体将显示为黑色，背景显示为白色，从而可以清晰地检查目标的边缘。比较适合使用背光照明的应用包括物体轮廓验证，以及机加工部件的金属刮痕检测。

由于反射被引向光源，均匀的光照有利于半透明物体的成像。捕捉到的目标图像是透射光通过目标本身的结果，使其成为反射和半透明塑料成像的绝佳选择。

照明类型

LED照明创新一直是照明行业的颠覆性影响因素，使新的配置和外形尺寸成为可能。本节将介绍一小部分照明解决方案，让大家对可用技术有一个大致的概念。照明配置应在大规模部署前用实际设备进行测试，以确保适当的系统可靠性。在可能的情况下，应减少或移除该区域的所有外部光源，只允许选择的光源与成像系统互动。

平面光源

平面光源是大多数人认为的一般照明。平面光源以相对均匀的光线分布照亮一个区域，前提是光源离拍摄对象足够远，不会产生“热点”。通过精确摆放，一到两个平面光源通常足以用于一般成像目的。

环形光源

照亮镜面（高反射）表面必须使用环形光源，因为环形光源有助于消除反射并捕捉无阴影的图像。直接将环形光源放置在相机前面，镜头通过环形中心的开口捕捉图像。这样，光线从镜头周围的各个方向照射到目标上，并减少了阴影的出现。

图5｜安装在相机镜头上的环形光源

圆顶光源

圆顶光源是照亮高镜面和纹理表面，如球轴承、金属圆柱体和机加工金属的理想选择。相机镜头面对圆顶的开口，在那里可以看到要拍摄的对象。从光源发出的光从内表面反射到目标上，然后通过圆顶中的开口反射回相机，如图6所示。因此，圆顶灯的内部必须是能够散射光且几乎没有镜面反射的材料。

图6｜圆顶光源覆盖的物体从内部被照亮并从顶部开口进行拍摄

结构光源

结构光源通常用于三维物体映射。结构光源通过一条或多条激光线照亮物体，如图7所示。通过观察光的图案和激光线的偏差，可以确定物体的高度和轮廓。

图7｜各种结构光源

彩色光源

通过添加颜色或更准确地说，使用特定的波长，以及任何前面提到的光源类型（除了结构光）可以帮助增强细节或提高对比度，这取决于具体应用。使用可见光谱中较窄的部分将有选择地照亮场景中的某些物体，而不会在同一场景中不太重要的区域产生反射。

照明实例

下节介绍了一些实例，在这些例子中，可利用光的特定属性来增强图像的细节。在这些例子中，传统的白光无法产生相同的结果。

利用近红外光增强视觉

红外照明可用于多种成像解决方案，以增强人眼看不到的细节。由于大多数成像系统在近红外波长（750-1200nm）处有一定的灵敏度，因此它们能够看到我们肉眼无法感知的视觉信息。下面两个场景将探讨如何使用红外光来可视化实际应用。

利用近红外光透视不透明液体

许多液体可以自由透过波长较长的红外光，这使得使用合适的设备可以透过液体获得一定的可见度。使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相机和红外光源，可以透过红酒和可乐等不透明液体看到被遮挡的信息。

图8的例子中有一个玻璃容器，背景中印有文字。在第一张图像中，容器是空的，可以通过玻璃读取文字，但会有些失真。在第二张图像中，容器中装满了红酒。由于玻璃容器的内部尺寸为4x4英寸，因此相机在白光下无法看到玻璃后面的文字。在第三张图像中，利用近红外光，相机可以透过四英寸的红酒看到玻璃后面的文字。

图8｜利用近红外光照射半透明红酒的实验

在第二个示例（图9）中，玻璃容器中装满了可乐，并在玻璃杯内放置了一个弹簧和金属垫圈，以模拟检测应用。通常使用近红外光确保在将不透明液体交付给客户之前，容器内没有异物。这个简单的设置展示了该系统能够很容易地在合适的玻璃容器内看到问题。

图9｜利用近红外光检测可乐中的异物

利用近红外光增强PCB埋线成像

当检查印刷电路板（PCB）上被阻焊层和/或丝印字母覆盖的区域时，使用近红外光检查的效率要高得多，因为这个波长的光很容易穿透薄涂层，但会从埋设的铜走线上反射。

如图10所示，上面的图像是可见光下PCB的一部分，下面的图像是近红外光下PCB的一部分。在上面的图像中，从左侧电镀焊盘到顶部焊盘的铜走线被阻焊层和丝印的“TP 10”字样所遮挡。在使用近红外光的下图中，丝印字样几乎看不见。铜在整个走线长度和裸焊盘处具有一致的强度。这说明阻焊层在近红外光下对埋设的铜走线无明显影响。

图10｜利用近红外光检查PCB的埋线

利用彩色光增强对比度

使用彩色灯光可以提高计算机视觉检查的对比度。由于大多数视觉系统使用黑白相机，因此可以使用彩色灯光来“减弱”背景颜色，并强调系统试图捕捉的细节。

图11｜蓝色背景上两种不同的日期戳（彩色）

可以从以下示例中的两个日期戳看出这一点。图11显示了两种日期戳的彩色图像。左边的日期戳使用的红色墨水，右边的日期戳使用的黑色墨水，均在蓝色背景上。图12中的图像显示了使用Teledyne Lumenera Lt345R黑白相机拍摄的相同标签。该图还说明了印字（图12下部图表中的下降）和图中黄线上的背景（峰值）之间的像素值差异。

图12｜白光下日期戳的对比分析

在图12中，当使用白光时，第一个字母J的灰度像素值下降约15。蓝光可以产生更亮的背景并有助于提高与印字的对比度。在图13中，通过代表同一字母的40个点的下降可以看出这一点。这是因为印字的红色墨水吸收了所有的蓝光，而背景反射了大量的蓝光。在白光实验中，红色墨水反射白光的红色成分，而背景反射蓝色成分。这大大降低了对比度，这就是为什么用特定波长的灯光照亮目标对机器视觉应用非常有利。

图13｜蓝光下日期戳的对比分析

偏振光和偏振滤光片

对光源进行偏振，并使用偏振滤光片，有助于缺陷检查，如以下图14和15所示。在本示例中，偏振滤光片放置在背光光源和相机镜头上。然后将塑料尺放在偏振光源上以观察缺陷。旋转相机上的偏振滤光片，使之与光源上的偏光滤光片对齐，透过标尺的光线显示塑料上有划痕。

图14｜塑料尺缺陷检测（非偏振白色背光）

将滤光片旋转90°，阻止偏振光进入相机镜头。然而，塑料上的缺陷往往会改变偏振光的方向。这一原理使相机可以很容易地看到缺陷，因为它们被第二偏振滤光片透射，如图15所示。当划痕进一步改变光线的偏振时，缺陷就显示为白色的痕迹。

图15｜塑料尺缺陷检测（偏振白色背光）

结 论

一幅图像可以通过使用的光源类型以及光源照射拍摄对象的方式而发生巨大的变化。使用特定材料时，要考虑该材料如何反射光，以及光与物体接触的角度以适当突出细节。无论是使用偏振光检查固体表面还是使用近红外光透过液体检查表面，关键在于使用合适的照明。